УДК 373.167.1:546 Б93

Б93Бутенко А. М.

Хімія для загальноосвітніх навчальних закладів з по-глибленим вивченням хімії : підруч. для 9 кл. загальноосвіт. навч. закладів / А. М. Бутенко. — Х. : Гімназія, 2017. — 320 с. : іл.

ISBN 978-966-474-290-7.Підручник містить увесь необхідний теоретичний матеріал, передбачений

чинною державною програмою, достатню кількість задач з розв’язаннями, практичні роботи з елементами дослідження, домашні досліди. Логічна по-слідовність, простота й наочність викладу матеріалу, високий науковий рівень, велика кількість ілюстрацій сприяють розвитку творчої діяльності учнів.

УДК 373.167.1:546

ISBN 978-966-474-290-7

© А. М. Бутенко, 2017© ТОВ ТО «Гімназія», оригінал-макет,

художнє оформлення, 2017

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

(наказ МОН України від 20.03.2017 № 417)

Видано за рахунок державних коштів. Продаж заборонено

Експерти, які здійснили експертизу даного підручника під час проведення конкурсного відбору проектів підручників

для 9 класу загальноосвітніх навчальних закладів і зробили висновок про доцільність надання підручнику

грифа «Рекомендовано Міністерством освіти і науки України»:

Ю. В. Рассукана, провідний науковий співробітникІнституту органічної хімії НАН України,доктор хімічних наук;

О. М. Голомб, методист кабінету методики викладання природничо-математичних дисциплін Закарпатського інституту післядипломної педагогічної освіти

Експертка з антидискримінації в освіті

Т. В. Дрожжина, проректорка з навчальної роботи КВНЗ «Харківська академія неперервної освіти», кандидат педагогічних наук

3

Передмова

Дорогі друзі!

У 8 класі ви засвоїли електронну теорію будови речови-ни та один з основних законів природознавства — закон періодичності у вигляді Періодичної системи хімічних еле-ментів. Ви, напевно, усвідомили велику роль цих теоре-тичних знань у поясненні природних явищ.

У 9 класі ви продовжите систематичне вивчення основ хі мії — глибше та конкретніше розглянете основні типи хімічних реак цій: сполучення, розкладу, заміщення та обміну. Навчитеся склада ти рівняння окисно-від новних хімічних реакцій, а також термохімічні та йонно-молеку-лярні рівняння. Ви почнете вивчати нові складні речови-ни — органічні сполуки. Відомості про їхні склад, будову та властивості викладено в новому розділі хімічної дисци-пліни — органічній хімії.

У підручнику містяться також екологічні та історичні відомості. Вони допоможуть вам зрозуміти значення хі-мії в житті кожної людини та, зокрема, у збереженні її здоров’я та довкілля.

Цей підручник забезпечує набуття знань і вмінь рівня, обов’язкового для учнів, які вивчають предмет поглиб лено.

Для найдопитливіших у деякі розділи підручника вмі-щено додатковий матеріал історичного, екологічного та прикладного характеру.

Систематизації знань сприяють висновки, наведені піс-ля кожного розділу, виділення шрифтом найважливіших понять, класифікаційні схеми, порівняльні та узагальню-вальні таблиці. Краще засвоїти навчальний матеріал допо-можуть рисунки та описи демонстраційних і лабораторних дослідів, практичних робіт. На початку кожного параграфа подано коротку інформацію щодо його основного змісту.

4

Але жоден підручник не спроможний забезпечити якіс-ного засвоєння знань без вашої, любі друзі, активної само-стійної роботи. Для її організації до кожного параграфа вміщено проблемні запитання. Опис більшості лаборатор-них робіт подано у вигляді посібника для виконання екс-периментів. Для хімічних задач запропоновано алгоритми розв’язування. У кінці кожного параграфа виділено основ-ні поняття, які мають бути добре засвоєні.

Лауреат Нобелівської премії Роберт Вудворд казав май-бутнім хімікам: «Своїми знаннями я зобов’язаний лише самому собі. Я сам себе навчив хімії».

Щиро бажаю вам успіхів у навчанні!Автор

Умовні позначення

° Прості запитання, для відповіді на які необхідно уважно прочитати текст підручника

Складніші запитання й завдання подано без позначки

* Найскладніші завдання

5

Хіміки — це ті, хто справді розуміють світ.Лайнус Полінг,

лауреат Нобелівської премії*

Повторення найважливіших питань курсу хімії 8 класу

§ 1. Склад і властивості основних класів неорганічних сполук

Неорганічні сполуки поділяють на класи: оксиди, основи, кис-лоти, амфотерні гідроксиди та солі. У кожному класі об’єднано сполуки, схожі за складом і властивостями. Існує також внутріш-ньокласовий розподіл сполук за типами.

1.1. ОксидиОксиди — це сполуки двох елементів, один із яких — Оксиген

зі ступенем окиснення –2.Склад оксидів можна виразити загальною формулою R

xO

y.

Якщо елемент утворює декілька оксидів, то після назви елемента в дужках указують його ступінь окиснення, наприклад FeO — ферум(ІІ) оксид, Fe

2O

3 — ферум(ІІІ) оксид, NO — нітроген(ІІ) ок-

сид, N2O

5 — нітроген(V) оксид.

За звичайних умов оксиди бувають у твердому, рідкому або газоподібному стані.

Розрізняють солетворні та несолетворні оксиди. До останніх відносять такі, що не утворюють ані основ, ані кислот (наприклад, СO, NO).

Класифікацію солетворних оксидів подано на схемі 1. Схема 1

Îêñèäè E2Oz

Na2O, CaO, BaO, MnO, FeO, K2O

òà ³í.

BeO, ZnO, Al2O3, Cr2O3, MnO2, Fe2O3 òà ³í.

V2O5, SO3, CrO3, CO2, Mn2O7, P2O5

òà ³í.

* Видатний учений, говорячи «хіміки», віддавав належне фахівцям обох статей. Проте варто зауважити, що жінки впродовж тривалого часу не мали доступу до вищої освіти та не могли займатися наукою, тому їхній внесок у розвиток хімії менший.

6

Основні оксидиДо основних відносять оксиди, що їх утворюють тільки мета-

лічні елементи і яким відповідають лише основи, наприклад K2O,

BaO, CaO.

Хімічні властивості основних оксидів• Взаємодіють з водою з утворенням відповідних розчинних основ:

K2O + H

2O = 2KOH CaO + H

2O = Ca(OH)

2

Існують також основні оксиди, що не взаємодіють з водою: MnO, HgО. • Взаємодіють з кислотами з утворенням солі та води:

CaO + 2HCl = CaCl2 + H

2O

MgO + 2HCl = MgCl2 + H

2O

HgO + 2HNO3 = Hg(NO

3)2 + H

2O

• Більшість основних оксидів взаємодіють із кислотними оксида­ми з утворенням солі:

K2O + CO

2 = K

2CO

3 BaO + CO

2 = BaCO

3

MnO + SiO2 = MnSiO

3

В основних оксидах ступінь окиснення металічного елемента дорівнює +1, +2 (зрідка +3).

Загальні способи добування основних оксидів• Термічне розкладання солей оксигеновмісних кислот:

Li CO Li O CO2 3 2 2= + ↑t

CaCO CaO CO3 2= + ↑t

2Mg(NO ) MgO NO O3 2 2 22 4= + ↑ + ↑t

• Термічне розкладання відповідних основ (іноді в інертній атмо-сфері):

Mn(OH) MnO H O2 2= +t

(в атмосфері N2)

Ca(OH) CaO H O2 2= +t

• Окиснення деяких сполук (найчастіше таких, до складу яких входить Сульфур, Карбон або Гідроген):

2HgS O HgO SO

(II)меркурійсульфід

+ = + ↑3 2 22 2

t

2CaC O CaO CO2 2 25 2 4

кальційкарбід

+ = + ↑t

BaH O BaO H O2 2 2барій

гідрид

+ = +t

• Безпосередня взаємодія деяких металів з киснем:

2 22800Ba O BaOC+ →> °t

7

Амфотерні оксидиДо амфотерних відносять такі оксиди, які залежно від умов

взаємодіють з кислотами, а отже, виявляють основні властиво-сті, або реагують з основами, тобто виявляють кислотні власти-вості. Найпоширеніші амфотерні оксиди: Al

2O

3, Cr

2O

3, ZnO, BeO,

Fe2O

3. Сполуки цих оксидів з водою, наприклад Al(OH)

3, Cr(OH)

3,

Zn(OH)2, Be(OH)

2, Fe(OH)

3 відносять до гідроксидів.

Хімічні властивості амфотерних оксидів• Взаємодія з кислотами з утворенням солі та води:

ZnO HCl ZnCl H O+ = +2 2 2

• Взаємодія з основами з утворенням солі та води:

ZnO NaOH Na ZnO H O+ = +2 2 2 2

t

натрій цинкат

• Взаємодія з кислотними та основними оксидами з утворенням солі:

ZnO SiO ZnSiO+ =2 3

кислотнийоксид

цинкметасилікат

t

ZnO CaO CaZnO+ =

основнийоксид

кальційцинкат

t

2

Загальні способи добування амфотерних оксидівДобувають амфотерні оксиди такими самими способами, що

й основні, бо вони теж утворені металічними елементами:

• термічне розкладання солей оксигеновмісних кислот:

4Al(NO ) Al O 12NO 3O3 3 2 3 2 22= + ↑ + ↑t

2Al (SO ) Al O 6SO 3O2 4 3 2 3 2 22= + ↑ + ↑t

• термічне розкладання відповідних гідроксидів:

2Al(OH) Al O H O3 2 3 23= +t

Zn(OH) ZnO H O2 2= +t

2Cr(OH) Cr O H O3 2 3 23= +t

• окиснення сполук, що містять Сульфур, Карбон та інші немета-лічні елементи:

2Al S O Al O SO2 3 2 2 3 29 2 6+ = + ↑t

Al C O Al O CO4 3 2 2 3 26 2 3+ = + ↑t

• безпосередня взаємодія деяких металів з киснем:

4Al O Al O+ =3 22 2 3

t

2Zn O ZnO+ =2 2t

4Cr O Cr O+ =3 22 2 3

t

8

Кислотні оксидиКислотними називають оксиди, яким відповідають кислоти.

Наприклад, оксиду P2O

5 відповідає ортофосфатна кислота H

3PO

4,

оксиду N2O

5 — нітратна кислота HNO

3, оксиду SO

3 — сульфатна

кислота H2SO

4.

Кислотні оксиди утворюються, як правило, неметалічними елементами, а також металічними зі ступенями окиснення +5, +6 та +7, наприклад V

2O

5, CrO

3, Mn

2O

7.

Вищими кислотними оксидами називають такі, у яких кислотоутворювальний елемент виявляє найвищий ступінь окиснення, що дорівнює номеру групи елемента в Періодичній системі, наприклад CO

2, N

2O

5.

Найважливіші хімічні властивості вищих кислотних оксидів

• Взаємодія більшості кислотних оксидів з водою з утворенням відповідних кислот:

SO H O H SO3 2 2 4+ = N O H O HNO2 5 2 32+ = P O H O H PO2 5 2 3 43 2+ = Cl O H O 2HClO2 7 2 4+ =

перхлоратнакислота

Вищий оксид Силіцію SiO2 практично не взаємодіє з водою.

• Взаємодія з основними оксидами з утворенням солей:CO CaO CaCO2 3+ =

• Взаємодія з основами з утворенням середніх та кислих солей і води:

SO NaOH Na SO H O3 2 4 22+ = + SO + NaOH = NaHSO3 4

Загальні способи добування кислотних оксидів• Взаємодія простих речовин, утворених неметалічними елемен-тами, з киснем:

4P O P O+ =5 22 2 5

t

C O CO+ = ↑2 2

t

S O SO+ = ↑2 2

t

Si O SiO+ =2 2

t

• Взаємодія деяких складних речовин, утворених неметалічними елементами, з киснем:

SiH O SiO H O4 2 2 22 2+ = +t

2CO O CO+ = ↑2 22t

2SO O SO2 2 32+ = ↑t

2H S O SO H O2 2 2 23 2 2+ = ↑ +t

2NO O NO+ = ↑2 22t

2ZnS O ZnO SO+ = + ↑3 2 22 2

t

• витіснення леткого оксиду із солей менш летким:

Na CO SiO Na SiO CO2 3 2 2 3 2+ = + ↑t

9

Запитання та завдання °1. Якою загальною формулою можна виразити склад оксидів? °2. На які три типи поділяють солетворні оксиди? °3. Який ступінь окиснення може виявляти металічний еле-

мент, утворюючи основні оксиди? °4. Які елементи — металічні та неметалічні, або тільки металічні, або тіль-

ки неметалічні — утворюють амфотерні оксиди? Наведіть приклади. 5. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійсни-

ти такі перетворення: кисень → цинк оксид → натрій цинкат; кисень → алюміній оксид → алюміній сульфат.

6. Обчисліть масу алюміній оксиду, який можна добути в результаті згорання порошкоподібного алюмінію масою 108 г.

7. Чому оксид складу P2O

5 називають кислотним?

8. Чи можуть металічні елементи утворювати кислотні оксиди? Які кислотні оксиди називають вищими?

9. Обчисліть масу кисню та об’єм водню (н. у.), які потрібні для одер-жання 54 г води.

*10. Який з основних оксидів складу BaO, CuO, Na2O містить Оксиген

з найбільшою масовою часткою? *11. Яка маса солі та яка кількість молекул води утвориться внаслідок

взаємодії алюміній оксиду масою 50,5 г з надлишком концентрованої гарячої хлоридної кислоти?

*12. Обчисліть масу води та об’єм вуглекислого газу — карбон(IV) окси-ду (н. у.), які утворяться в результаті повного згорання метану CH

4

об’ємом 28 л (н. у.).

1.2. Основи

Основи — це складні речовини, що складаються з йонів металіч-ного елемента та одної або декількох гідроксигруп.

Число гідроксигруп в основі дорівнює ступеню окиснення мета-лічного елемента: NaOH, Mg(OH)

2, Al(OH)

3 тощо.

Основи — це гідрати основних оксидів, тому їхній склад можна виразити загальною формулою E O H O,x y næ 2 або Me(OH)

z, напри-

клад NaOH, KOH, Ca(OH)2.

Схема 2

Îñíîâè Me(OH)z

Ðîç÷èíí³ ó âîä³ (ëóãè) Íåðîç÷èíí³ ó âîä³

NaOH, KOH äóæå äîáðå ðîç÷èíÿþòüñÿ,Ba(OH)2 ïîì³ðíî ðîç÷èíÿºòüñÿ,Ca(OH)2 ïîãàíî ðîç÷èíÿºòüñÿ

Fe(OH)2,Cu(OH)2,

Mn(OH)2 òîùî

10

Назви основ утворюють так само, як і назви оксидів. Спочатку вказують назву елемента в називному відмінку, потім його ва-лентність римською цифрою в дужках, далі слово «гідроксид». Наприклад, NaOH — натрій гідроксид, Cu(OH)

2 — купрум(ІІ) гід-

роксид, Fe(OH)2 — ферум(ІІ) гідроксид.

Луги виявляють лише основні властивості. Число гідроксигруп визначає кислотність основи, тобто здатність основи нейтралізу-вати кислоти. Так, KOH — однокислотна основа, оскільки містить одну гідроксигрупу, а отже, 1 моль такої основи може нейтралізу-вати 1 моль одноосновної кислоти, наприклад HCl; Ba(OH)

2 — дво-

кислотна основа, оскільки містить дві гідроксигрупи, і тому може нейтралізувати 2 моль HCl тощо.

Схема 3

Îñíîâè Me(OH)z

Îäíîêèñëîòí³ Äâîêèñëîòí³

NaOH, KOH Ba(OH)2, Cu(OH)2

Основи здебільшого є твердими речовинами певного забарвлен-ня. Розчинні основи, або луги, змінюють забарвлення індикаторів, оскільки їхні розчини мають лужне середовище:

Індикатор Забарвлення індикатора

Лакмус Синє

Фенолфталеїн Малинове

Метиловий оранжевий Жовте

Хімічні властивості основ• Взаємодіють з кислотами з утворенням солі та води:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Ca(OH)2 + 2HNO

3 = Ca(NO

3)2 + 2H

2O

Cu(OH)2 + H

2SO

4 = CuSO

4 + 2H

2O

• Взаємодіють з кислотними й амфотерними оксидами з утво-ренням солі та води:

2NaOH ZnO Na ZnO H O+ = +2 2 2натрій цинкат

2KOH + N2O

5 = 2KNO

3 + H

2O

11

• Розчинні основи реагують із солями, якщо виконується хоча б одна з умов перебігу реакцій обміну: утворення осаду, води або газоподібної речовини:

2KOH + CuSO4 = Cu(OH)

2↓ + K

2SO

4

NaOH + NaHSO4 = Na

2SO

4 + H

2O

NH4NO

3 + KOH = KNO

3 + H

2O + NH

3↑

• Нерозчинні основи, а також основи, утворені лужноземель-ними металічними елементами (наприклад, Ca(OH)

2, Sr(OH)

2,

Ba(OH)2), розкладаються під час нагрівання:

Ca(OH) CaO H OC2

5502

° → + Cu(OH) CuO H OC

2200

2° → +

Основи, утворені лужними металічними елементами, є стійкими до нагрівання.

Загальні способи добування основ

До найважливіших способів одержання основ відносять:• взаємодію основних оксидів з водою:

CaO + H2O = Ca(OH)

2

• взаємодію деяких металів — головним чином, лужних і лужно-земельних з водою:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H

2↑

Ca + 2H2O = Ca(OH)

2 + H

2↑

• взаємодію між сіллю та розчинною основою:

K2SO

4 + Ca(OH)

2 = 2KOH + CaSO

4↓

Cu(NO3)2 + 2NaOH = Cu(OH)

2↓ + 2NaNO

3

Запитання та завдання °1. Які складні речовини називають основами? Якою загаль-

ною формулою можна виразити склад основ? °2. Від чого залежить число гідроксигруп в основі? °3. Як називають розчинні у воді основи? Які властивості вони виявляють? °4. Яке число визначає кислотність основи? 5. У який колір забарвлюється індикатор фенолфталеїн у розчинах

основ? 6. Які три хімічні властивості основ можна віднести до найважливі-

ших? Обґрунтуйте рівняннями реакцій. 7. Укажіть найважливіші способи добування основ і підтвердьте їх від-

повідними рівняннями реакцій. 8. Закінчіть рівняння реакцій:

NaOH + SO3 → Ba(OH)

2 + HCl →

KOH + MgSO4 → Cu OH( )2 →

t

12

9. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити лан-цюг перетворень речовин:

а) мідь → купрум(ІІ) оксид → купрум(ІІ) нітрат → купрум(ІІ) гідро-ксид → купрум(ІІ) оксид;

б) натрій → натрій гідроксид → натрій сульфат.

10. Обчисліть масу натрій гідроксиду та об’єм водню (н. у.), які утво-ряться в результаті взаємодії натрію масою 11,5 г з водою.

11. Обчисліть масу магній гідроксиду, яку треба витратити, щоб нейтра-лізувати нітратну кислоту масою 25,2 г.

12. Обчисліть масу магній гідроксиду, який утворився внаслідок вза-ємодії 24 г натрій гідроксиду з надлишком розчину магній сульфату. Яка маса магній сульфату вступила в реакцію?

*13. Крізь розчин кальцій гідроксиду пропустили газ, що утворився в ре-зультаті спалювання 24 г метану CH

4. Обчисліть масу осаду. До якого

класу неорганічних сполук його треба віднести?

14. Обчисліть масу середньої солі, що утворилася в результаті змішу-вання натрій гідроксиду з розчином, що містив 34,3 г сульфатної кислоти. Визначте масу солі, що утворилася.

*15. Визначте масу калій карбонату, що утворився внаслідок пропускан-ня 33,6 л (н. у.) карбон(IV) оксиду крізь надлишок розчину калій гідроксиду. Скільки молів калій гідроксиду прореагувало?

1.3. Амфотерні гідроксидиАмфотерними називають гідроксиди, які залежно від умов ви-

являють властивості як кислот, так і основ.Амфотерні гідроксиди — це гідрати амфотерних оксидів, напри-

клад Zn(OH)2, Al(OH)

3, Cr(OH)

3, Fe(OH)

3 та ін., тому їхній склад

виражають формулами Me(OH)x ↔ H

xMeO

x.

Амфотерні гідроксиди являють собою драглеподібні осади.

Хімічні властивості амфотерних гідроксидівДля амфотерних гідроксидів характерні такі хімічні властивості:

• взаємодія з кислотами з утворенням солі та води:

Al(OH)3 + 3HCl = AlCl

3 + 3H

2O

• взаємодія з лугами також з утворенням солі та води:

Zn(OH) NaOH Na ZnO H O2 2 2 22 2+ = +t

* *

• розкладання під час нагрівання на відповідний оксид і воду:2Al(OH) Al O H OC

3600

2 3 23° → +

* Сполука Na2ZnO

2 — натрій цинкат — утворюється під час сплавляння цинк

гідроксиду з натрій гідроксидом. Якщо ж реакція відбувається в розчині, то утво-рюється комплексна сіль — натрій тетрагідроксицинкат:

Zn(OH)2 + 2NaOH (конц.) = Na

2[Zn(OH)

4]

13

Загальні способи добування амфотерних оксидівАмфотерні оксиди одержують взаємодією лугів із солями відпо-

відних металічних елементів:AlCl3 + 3NaOН = Al(OH)

3 ↓ + 3NaCl

При цьому розчин лугу, тут розчин NaOH, треба додавати до розчину солі краплями і в суворо визначеній кілько сті, оскільки за наявності надлишку розчину NaOH утворюється ком плексна сіль складу Na[Al(OH)

4] — натрій тетрагідроксиалюмінат. Тому

для проведення подібних реакцій використовують водний розчин амоніаку NH H O:3 2æ

AlCl 3(NH H O) ( . .) Al OH 3NH Cl3 3+ = ↓ +3 2 4æ конц хол ( )

Запитання та завдання °1. Які гідроксиди називають амфотерними? Наведіть приклади. 2. Які хімічні властивості характерні для амфотерних гідро-

ксидів? Відповідь підтвердьте рівняннями реакцій. 3. На яких реакціях ґрунтується добування амфотерних гідроксидів

Zn(OH)2 та Al(OH)

3? У чому полягають особливості їхнього перебігу?

4. Складіть хімічні рівняння таких перетворень:цинк → цинк нітрат → цинк гідроксид →

→цинк оксид → калій цинкат → цинк хлорид.

5. Яка маса цинк гідроксиду утвориться в результаті взаємодії цинк нітрату масою 63 г з розведеним розчином натрій гідроксиду?

6. Яку масу алюміній гідроксиду необхідно піддати термічному розкла-данню, щоб отримати алюміній оксид масою 30,6 г?

7. Яку масу цинк гідроксиду треба піддати термічному розкладанню, щоб одержати цинк оксид масою 24,3 г?

1.4. КислотиКислотами називають складні речовини, що містять кислотні

залишки, сполучені з атомами Гідрогену, здатними заміщуватися йонами металічних елементів.

Кислоти класифікують:• за основністю, яку визначають за кількістю атомів Гідро-гену, що входять до їхнього складу:

Схема 4

Äâîîñíîâí³

Êèñëîòè

Îäíîîñíîâí³ Òðèîñíîâí³

HCl, HNO3 H2S, H2SO4 H3PO4

14

• за наявністю в їхньому складі атомів Оксигену:Схема 5

HNO3, H2SO4, H3PO4 HCl, HF, H2S

Хімічні властивості кислот

• Кислоти реагують з основами:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

NaOH + H2SO

4 (конц.) = NaHSO

4 + H

2O

2NaOH + H2SO

4 (розв.) = Na

2SO

4 + 2H

2O

Ca(OH)2 + HCl = CaOHCl + H

2O

Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl

2 + 2H

2O

та амфотерними гідроксидами:

Al(OH)3 + 3HNO

3 = Al(NO

3)3 + 3H

2O

Zn(OH)2 + H

2SO

4 = ZnSO

4 + 2H

2O

При цьому залежно від основності кислоти та кислотності основи можуть утворюватися середні, кислі та основні солі.• Кислоти реагують з металами: розведені кислоти, наприклад HCl та H

2SO

4, взаємодіють лише з металами, які у витискуваль-

ному ряді стоять до водню, концентровані — із металами, що стоять у цьому ряді до й після водню:

2HCl + Mg = MgCl2 + H

2 ↑

H2SO

4 + Zn (розв.) = ZnSO

4 + H

2 ↑

2H2SO

4 + Cu (конц. гар.) = CuSO

4 + 2H

2O + SO

2 ↑

• Кислоти реагують з основними та амфотерними оксидами:

2HNO3 + CaO = Ca(NO

3)2 + H

2O

3H2SO

4 + Al

2O

3 = Al

2(SO

4)3 + 3H

2O

• Кислоти реагують із солями, якщо виконується хоча б одна з умов перебігу реакцій обміну (утворення осаду, газоподібної речовини або води):

2HCl (розв.) + Na2CO

3 = 2NaCl + H

2O + CO

2 ↑

H2SO

4 (розв.) + Ba(NO

3)2 =BaSO

4 ↓ + 2HNO

3

Загальні способи добування кислот

Безоксигенові кислоти одержують розчиненням відповідних летких сполук з Гідрогеном у воді: HCl, H

2S.

15

Оксигеновмісні кислоти отримують унаслідок: • взаємодії кислотних оксидів з водою:

P O + 3H O = 2H PO2 5 2 3 4

кип.

N2O

5 + H

2O = 2HNO

3

CO H O CO H O H CO2 + = →2 2 2 2 3

p

æ

SO2 + H

2O (хол.) = H

2SO

3

• реакцій обміну:

KNO3 + H

2SO

4 (конц.) = KHSO

4 + HNO

3↑ (вакуум)

Ca3(PO

4)2 + 6HNO

3 (конц.) = 3Ca(NO

3)2 + 2H

3PO

4

Запитання та завдання °1. Які складні речовини називають кислотами? °2. На основі чого класифікують кислоти? 3. За допомогою яких рівнянь реакцій можна охарактеризува-

ти найважливіші хімічні властивості кислот? 4. Унаслідок яких хімічних реакцій можна одержати: а) хлоридну кис-

лоту; б) нітратну кислоту; в) розведену сульфатну кислоту? Складіть рівняння відповідних реакцій.

5. З якими з указаних металів — залізо, цинк, мідь, магній, срібло — реагує хлоридна кислота? Складіть рівняння реакцій.

6. Складіть рівняння реакцій розведеної сульфатної кислоти з: а) алю-міній гідроксидом; б) калій сульфідом; в) цинком; г) натрій карбо-натом.

7. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити лан-цюги перетворень: а) вуглець → карбон(IV) оксид → калій карбонат → карбон(IV) оксид → кальцій карбонат; б) сірка → ферум(ІІ) суль-фід → гідроген сульфід → натрій сульфід → купрум(ІІ) сульфід.

8. Обчисліть об’єм водню (н. у.), який виділяється в результаті розчи-нення алюмінію масою 36 г у хлоридній кислоті. Яка маса солі при цьому утворюється?

9. Обчисліть масу розведеної сульфатної кислоти, необхідну для розчи-нення ферум(ІІ) оксиду масою 40 г.

10. Обчисліть масу нітратної кислоти та масу натрій карбонату, у резуль-таті взаємодії яких утворився карбон(IV) оксид об’ємом 44,8 л (н. у.).

11. Обчисліть масу ортофосфатної кислоти та масу середньої солі, яка утворилася внаслідок взаємодії цієї кислоти з кальцій гідроксидом масою 44,4 г.

*12. Який об’єм водню (н. у.) виділиться в результаті взаємодії 18 г алю-мінію з надлишком розведеної сульфатної кислоти? Скільки молекул водню (н. у.) міститься в цьому об’ємі?

*13. Визначте масу й кількість молекул гідроген хлориду (н. у.), отри-маного в результаті реакції: а) H Cl HCl,2 2 2+ = якщо прореагувало

0,05 моль хлору; б) NaCl (тв H SO конц NaHSO HCl ,C.) ( .)+ → + ↑< °2 4

604

t

якщо прореагувало 0,1 моль натрій хлориду.

16

1.5. СоліСолі — це складні речовини, що містять йони металічного еле-

мента й кислотного залишку.Залежно від складу кислотного залишку розрізняють такі солі:

Схема 6

Ñîë³

êèñë³

Ni(HSO4)2, NaHCO3 K2SO4, Bi(NO3)3 CaOHCl, (FeOH)2SO4

ñåðåäí³ îñíîâí³

До складу середніх солей входять йони металічного елемента та кислотного залишку: Na

2SO

4 — натрій сульфат, Al(NO

3)3 — алю-

міній нітрат, CaCl2 — кальцій хлорид.

До складу кислих солей входять йони металічного елемента та кислотного залишку, сполучені з одним або двома катіонами Гід-рогену: K

2HPO

4 — калій гідрогенортофосфат, Ca(H

2PO

4)2 — каль-

цій дигідрогенортофосфат.До складу основних солей входять катіони металічного елемен-

та, сполучені з однією або двома гідроксигрупами, та йони кислот-ного залишку, наприклад: CaOHNO

3 — кальцій гідроксинітрат,

Fe(OH)2Cl — ферум(ІІІ) дигідроксихлорид.

Якщо металічний елемент виявляє змінний ступінь окиснення, то після назви елемента римською цифрою вказують його валентність.

Хімічні властивості солей• Взаємодіють з лугами з утворенням гідроксидів або основних солей:

CuSO4 + 2KOH = Cu(OH)

2 ↓ + K

2SO

4

FeCl3 + NaOH = FeOHCl

2 + NaCl

FeCl3 + 2NaOH = Fe(OH)

2Cl + NaCl

• Взаємодіють з кислотами з утворенням нових кислоти та солі:CaS + 2HCl = CaCl

2 + H

2S ↑

Ba(NO3)2 + H

2SO

4(розв.) = BaSO

4 ↓ + 2HNO

3

• Взаємодіють між собою:BaCl

2 + K

2CO

3 = CaCO

3 ↓ + 2KCl

• Взаємодіють з металами, які у витискувальному ряді розміще-ні до металу, що утворює сіль:

CuSO4 + Zn = Cu ↓ + ZnSO

4

При цьому метали, що у витискувальному ряді розміщені до магнію (K, Ba, Ca, Na та ін.), для таких реакцій не використову-ють, оскільки вони реагують з водою.

17

• Деякі солі розкладаються під час нагрівання:

2NaHCO Na CO CO H O3 = + ↑ +t

2 3 2 2

CaCO CaO CO3 = + ↑t

2 2AgNO Ag NO O3 = + ↑ + ↑t

2 2 2 2

Загальні способи добування солей

• Взаємодія металів з неметалами:2Fe + 3Cl

2 = 2FeCl

3

• Взаємодія кислотних оксидів з основними оксидами:CaO + CO

2 = CaCO

3

• Взаємодія кислотних оксидів з амфотерними оксидами:Al

2O

3 + 3N

2O

5 = 2Al(NO

3)3

• Взаємодія основ з амфотерними та кислотними оксидами:ZnO + 2KOH = K

2ZnO

2 + 2H

2O

CO2 + Ca(OH)

2 = CaCO

3 ↓ + H

2O

• Взаємодія кислот з основами та амфотерними гідроксидами:H

2SO

4 + 2NaOH = Na

2SO

4 + 2H

2O

3HCl + Al(OH)3 = AlCl

3 + 3H

2O

• Взаємодія основ із солями:6KOH + Fe

2(SO

4)3 = 2Fe(OH)

3 ↓ + 3K

2SO

4

• Взаємодія кислот з металами:2Al + 3H

2SO

4(розв.) = Al

2(SO

4)3 + 3H

2 ↑

• Взаємодія кислот із солями:2HCl + CaCO

3 = CaCl

2 + CO

2 ↑ + H

2O

• Взаємодія солей з металами:Fe + CuSO

4 = Cu ↓ + FeSO

4

• Взаємодія солей між собою:BaCl

2 + K

2SO

4 = BaSO

4 ↓ + 2KCl

Запитання та завдання °1. Які складні речовини називають солями? °2. Які типи солей розрізняють залежно від складу кислотного

залишку? Відповідь обґрунтуйте за допомогою прикладів. 3. Складіть рівняння реакцій утворення солей: а) Al(OH)

2Cl; б) CaOHNO

3;

в) Mg3(PO

4)2.

4. Яким основам відповідають солі: а) CaSO4; б) Al(NO

3)3; в) Fe(OH)

2Cl;

г) Cr(HSO4)3; ґ) Na

3PO

4?

5. У якій зі сполук — AlOH(NO3)2 чи Fe(HSO

4)3 — масова частка Окси-

гену більша? 6. Складіть рівняння реакцій, у результаті яких утворюється: а) магній

нітрат; б) купрум(ІІ) сульфат.

18

7. З розчинами яких солей — натрій сульфат, аргентум(I) нітрат, алю-міній хлорид, плюмбум(ІІ) нітрат, купрум(ІІ) сульфат — буде реагу-вати залізо?

8. Складіть рівняння всіх можливих реакцій між такими речовинами: кальцій нітрат, натрій гідроксид, купрум(ІІ) сульфат, хлоридна кис-лота, магній.

9. Яка маса срібла утвориться в результаті взаємодії цинку масою 13 г з розчином аргентум(I) нітрату?

10. Обчисліть масу осаду, який утвориться в результаті взаємодії барій нітрату масою 5,22 г з калій карбонатом.

*11. Яка маса осаду барій сульфату та яка кількість речовини калій хло-риду утвориться внаслідок взаємодії барій хлориду масою 62,4 г з над-лишком розчину калій сульфату?

*12. Який об’єм карбон(IV) оксиду (н. у.) виділиться в результаті взаємодії натрій карбонату масою 15,9 г з надлишком розчину нітратної кис-лоти? Скільки молекул міститиметься у цьому об’ємі вуглекислого газу (н. у.)?

1.6. Генетичний зв’язок між найважливішими класами неорганічних сполук

Схема 7

Îñíîâí³Fe(OH)

2Cl

Íåîðãàí³÷í³ ðå÷îâèíè

Ìåòàëè

Ñêëàäí³ ðå÷îâèíè

Ïðîñò³ ðå÷îâèíè

Íåìåòàëè

Ñêëàäí³ ðå÷îâèíè

Êèñëîòí³ îêñèäèSO

3, P

2O

5, Mn

2O

7

ÊèñëîòèH

2SO

4, H

3PO

4, HMnO

4

Àìôîòåðí³ îêñèäèZnO, Al O2 3

Îñíîâè Àìôîòåðí³ ã³äðîêñèäèZn(OH) , Al(OH)32

Ñîë³Íåðîç÷èíí³

Ñu(OH)2

Ðîç÷èíí³ (ëóãè)NaOH, KOH

Ñåðåäí³K

2SO

4, AlCl

3

Êèñë³Ña(HCO

3)2, KHSO

4

Îñíîâí³ îêñèäèCaO, CuO

19

Запитання та завдання 1. Складіть рівняння реакцій, у результаті яких можна здій-

снити такі перетворення: а) магній → магній оксид → магній хлорид → магній нітрат

→ магній гідроксид → магній сульфат → магній гідроген сульфат; б) магній → магній сульфат → магній гідроксид → магній оксид →

→магній хлорид → аргентум хлорид. 2. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі

перетворення: Ba → BaO → Ba(OH)

2 → Ba

3(PO

4)2

Zn → ZnO →ZnSO4 →Zn(OH)

2 → ZnCl

2

3. Дано такі речовини: калій гідроксид, карбон(IV) оксид, цинк гідро-ксид, хлоридна кислота, магній оксид. Які із цих речовин взаємоді-ятимуть між собою? Складіть рівняння реакцій і назвіть речовини, що утворилися.

4. Із пропонованого ряду речовин випішіть окремо речовини, які реа-гують із калій гідроксидом, а потім речовини, які реагують із суль-фатною кислотою: K

2S, Ba(NO

3)2, Zn(OH)

2, Na

2O, HCl, SO

3, NaOH.

Складіть рівняння відповідних реакцій і назвіть речовини, що утво-рилися.

§ 2. Хімічний зв’язок і будова речовини

2.1. Природа хімічного зв’язкуХімічний зв’язок — це сили, які об’єднують окремі атоми під

час їхнього зіткнення в молекули, йони або кристали. Їхня при-рода полягає в електростатичній взаємодії між електронами та позитивно зарядженими ядрами атомів.

Таку взаємодію атомів між собою пояснюють їхнім намаганням завершити свої зовнішні енергетичні рівні до двох- або восьми-електронної структури, оскільки вона є найстабільнішою. Утво-рення таких структур відбувається за рахунок перекривання елек-тронних s- і s-, s- і p-, p- і p-орбіталей атомів, що взаємодіють між собою (рис. 1).

a á â

Рис. 1. Перекривання електронних орбіталей під час утворення ковалентного зв’язку: а — s-орбіталей атомів Гідрогену в молекулі Н

2;

б — s-орбіталі атома Гідрогену і p-орбіталі атома Хлору в молекулі HCl; в — р-орбіталей Хлору в молекулі Cl

2

20

Унаслідок такого перекривання, наприклад під час утворення молекули водню, відбува-ється, по-перше, притягування електронів до ядер обох сполучених у молекулу атомів, а по-друге — відштовхування їхніх позитивно за-ряджених ядер (рис. 2).

Розрізняють три основні типи хімічного зв’язку: ковалентний, йонний і металічний.

Ковалентним називають хімічний зв’язок, який виникає в результаті утворення однієї або кількох пар електронів, спільних для двох атомів.

Ковалентний зв’язок утворюється між атома-ми, що мають однакові або близькі значення електронегативності. Як правило, він виникає між атомами неметалічних елементів: Cl

2, N

2, H

2O, HCl тощо.

Ковалентний зв’язок може бути полярним або неполярним. У разі перекривання електронних хмар атомів з однаковою електронегативністю ви ни кає неполярний ковалентний зв’я­зок (Cl

2, H

2, O

2). Якщо ж взаємодіють атоми з різною електро-

негативністю, то утворюється полярний ковалентний зв’язок (H

2O, HCl).

Через те що в разі виникнення ковалентного зв’язку кожний з атомів, що взаємодіють, використовує для утворення спільної елек-тронної пари по одному електрону, такий механізм називають обмін­ним. Слід розрізняти поняття «полярність молекули» та «поляр ність хімічного зв’язку».

Так, у багатьох молекулах з полярним ковалентним зв’язком центри надлиш-кового негативного та позитивного заря-дів, які позначають відповідно d– та d+, розташовані в різних точках. Вони ви-никають унаслідок утворення ковалент-ного зв’язку атомами елементів з різною електронегативністю. У таких випадках говорять, що і зв’язок полярний, і моле-кула полярна.

Однак молекули з полярним ковалент-ним зв’язком можуть бути й неполярни-ми. Наприклад, у молекулі карбон(IV) оксиду зв’язок між атомами Карбону й Оксигену ковалентний полярний, але мо-

+1 +1

Ïðèòÿãóâàííÿ

³äøòîâõóâàííÿ

àáîH H H—H

Рис. 2. Взаємо-дія двох атомів

Гідрогену

N

2p zyx2p 2p2s

}Ñï³ëüí³ ïàðèåëåêòðîí³â

N + N N N

Åëåêòðîííàôîðìóëàìîëåêóëè

→

Ñòðóêòóðíàôîðìóëàìîëåêóëè

N N

21

лекула є неполярною, оскільки хімічні зв’язки розташовані симе-трично відносно центру молекули:

O C O2δ δ 2δ− −

= =+4

Кількість спільних електронних пар, які беруть участь в утво-ренні ковалентного зв’язку, називають його кратністю. Крат-ність зв’язку може дорівнювати одиниці, двом і трьом. Що більша кратність зв’язку, то він міцніший.

Зі збільшенням радіусів атомів хімічний зв’язок між ними слаб-шає. Наприклад, у ряді HF—HCl—HBr—HI спостерігається збіль-шення радіусів атомів галогенів, а отже, одночасно і послаб лення зв’язку.

Більшість сполук з типовим ковалентним зв’язком мають низькі температури плавлення та кипіння, погано розчиняються у воді.

У разі взаємодії атомів елементів, які дуже відрізняються один від одного значенням електронегативності, спільні електронні пари практично повністю переходять до атома елемента з більшою електронегативністю. Унаслідок цього утворюються різнойменно заряджені йони. У цьому випадку заряд негативного йона, який іще називають аніоном, дорівнює кількості приєднаних ним елек-тронів, а заряд позитивно зарядженого йона — катіона дорівнює кількості відданих ним електронів.

Хімічний зв’язок, що виникає в результаті взаємного електро-статичного притягання протилежно заряджених йонів, називають йонним.

Йонний зв’язок за властивостями відрізняється від ковалент-ного. Так, у йонних кристалах кожен йон електростатично при-тягується до всіх протилежно заряджених йонів. Це означає, що йонний зв’язок неможливо характеризувати направленістю.

Запитання та завдання 1. Виберіть формули сполук, що утворені зв’язком: а) поляр-

ним ковалентним; б) неполярним ковалентним; в) йонним: O

2, HCl, K

2O, MgO, NO, H

2, SO

2, H

2S, F

2, CaCl

2.

2. Укажіть дві особливості, за якими йонний зв’язок відрізняється від ковалентного.

3. Які зв’язки у кальцій карбонаті є йонними, а які — ковалентними? 4. Що таке кратність ковалентного зв’язку? Чому вона може дорівню-

вати? 5. Чи можуть молекули, утворені полярним ковалентним зв’язком,

бути неполярними? Чому? 6. До атома якого елемента повністю переходять спільні електронні

пари в разі утворення йонного зв’язку?

22

7. Розставте формули молекул PCl3, PBr

3, PF

3 за збільшенням довжини

ковалентного зв’язку між їхніми атомами. 8. Розставте формули молекул H

2S, Cl

2, N

2 за збільшенням кількості

ковалентних зв’язків у їхніх молекулах. 9. У якій зі сполук HBr, HCl, HI зв’язок між атомами є найбільш по-

лярним? *10. У якій із речовин зв’язок між атомами тільки ковалентний поляр-

ний: а) натрій оксид; б) гідроген пероксид; в) карбон(IV) оксид? *11. Визначте, за рахунок яких електронів (s-, p-) формується ковалентний

зв’язок під час утворення молекул фтору F2 і гідроген сульфіду H

2S.

2.2. Кристалічна й молекулярна будова речовини

Усі тіла, які складаються з твердих речовин, на відміну від рід-ких і газоподібних, мають певну форму та об’єм.

За внутрішньою будовою й властивостями розрізняють дві форми твердої речовини — аморфну й кристалічну. В аморфній речовині її частинки (молекули, атоми, йони) розміщені без-ладно (рис. 3, а). Під час нагрівання аморфні речовини (скло, смоли тощо) не плавляться за певної температури, а поступово розм’якшуються, перетворюючись на рідину.

У кристалічній речовині частинки розташовані в строго певних точках простору (рис. 3, б). Якщо ці точки сполучити уявними прямими лініями, то утворюється просторовий каркас — криста­лічні ґратки. Точки, у яких перехрещуються уявні лінії, назива-ють вузлами кристалічних ґраток. У них і перебувають реальні частинки речовини, які постійно коливаються. З підвищенням температури амплітуда коливань збільшується, що спричиняє теплове розширення тіл.

Кристалічні ґратки, у вузлах яких розташовані атоми, називають атомними. Атоми сполучені між собою ковалентними зв’яз ками. Наприклад, у кристалічних ґратках алмазу кожен атом Кар бону сполучений із чотирма сусідніми атомами рівноцінними за дов-

à á

Рис. 3. Будова аморфного кварцового скла (а) і кристалічного кварцу (б), що побудовані з тієї самої речовини SiO

2

23

жиною та енергією ковалентними зв’язками (рис. 4, а). Ре чо ви ни з атомними кристалічними ґратками мають немолекулярну будову.

Речовини з атомними кристалічними ґратками (кристалічний бор, кремній, германій, силіцій(IV) оксид тощо) мають високі тем-ператури плавлення, високу твердість і міцність. За звичайних умов практично не розчиняються в жодному рідкому розчиннику.

Кристалічні ґратки, у вузлах яких розташовані молекули (по-лярні чи неполярні), називають молекулярними. Молекули в цих ґратках утримуються слабкими силами міжмолекулярної взаємо-дії. Через це такі речовини плавляться та киплять за низьких температур. Вони м’які, нерозчинні або малорозчинні у воді, їхні розчини не проводять електричний струм.

Речовини з молекулярними кристалічними ґратками — це спо-луки з молекулярною будовою. До них відносять воду (лід), «су-хий лід» — твердий CO

2, тверді прості речовини (йод I

2, фосфор

P4, сірка S

8 та ін.), більшість органічних сполук у твердому стані

(глюкоза, нафтален тощо) (рис. 4, б).Кристалічні ґратки, утворені йонами, називають йонними.

У вузлах таких ґраток розташовані позитивно заряджені йони, оточені негативно зарядженими йонами, і навпаки. Між йонами існують сили електростатичного притягання. Так, у кристалі NaCl кожен йон Натрію оточений шістьма йонами Хлору, а кожний йон Хлору — шістьма йонами Натрію (рис. 4, в).

Кількість зв’язків між йонами в такому кристалі достатньо велика, тому всі йони міцно сполучені один з одним. Через це сполуки з йонними кристалічними ґратками за кімнатної темпе-ратури є твердими й нелеткими. Вони мають високі температу-ри плавлення та високу твердість, але водночас є крихкими і не проводять електричний струм, а в результаті розплавлення або

à á â

Карбон Гідроген Оксиген ХлорНатрій

Рис. 4. Моделі кристалічних ґраток: а — атомних (алмаз); б — молекулярних (лід); в — йонних (натрій хлорид)

24

розчинення в розчинниках з полярним ковалентним зв’язком, на-приклад у воді, стають провідниками електричного струму. Йонні сполуки відносять до речовин немолекулярної будови.

Запитання та завдання °1. На основі чого розрізняють дві форми твердої речовини? °2. Що таке кристалічні ґратки? вузли кристалічних ґраток? °3. Які кристалічні ґратки називають атомними? Якими хіміч-

ними зв’язками сполучені в них частинки речовини? 4. Які фізичні властивості характерні для речовин з атомними криста-

лічними ґратками? °5. Які кристалічні ґратки називають молекулярними? Чому? 6. Які сили утримують молекули у вузлах молекулярних кристалічних

ґраток? 7. Які фізичні властивості характерні для речовин у твердому стані

з мо лекулярними кристалічними ґратками? 8. Які речовини у твердому стані — графіт, йод, лід — мають молеку-

лярні кристалічні ґратки? 9. Які кристалічні ґратки називають йонними? Які сили утримують

частинки речовини у вузлах кристалічних ґраток? 10. Які фізичні властивості характерні для речовин з йонними криста-

лічними ґратками? 11. Які сполуки — з йонним чи ковалентним зв’язком — погано розчи-

няються у воді та мають низькі температури плавлення і кипіння? 12. Які речовини — CaCO

3, H

2O (лід), алмаз, I

2 (тв) — мають йонні крис-

талічні ґратки?

25

Розділ 1Розчини

Майже всі хімічні процеси, які трапляються в природі —

в організмах тварин, у рослинах або в земній корі, де життя неможливе…

відбуваються в розчині.Вільгельм Оствальд,

лауреат Нобелівської премії

§ 3. Поняття про дисперсні системи. Колоїдні та істинні розчини

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакедисперснісистемитаїхніскладові;•щотакерозчинникірозчиненаречовина;•чимсуспензіївідрізняютьсявідемульсій;•якимибуваютьрозчини.

Поняття про дисперсні системи. Дисперсною називають систе-му, коли в об’ємі однієї речовини розподілено достатньо подрібне-них частинок інших речовин.

Речовину, у якій розподілена інша речовина, називають дисперсійним середовищем, або розчинником, а ту, що розподі-ляється, — дисперсною фазою, або розчиненою речовиною. Якщо обидва компоненти в чистому вигляді мають однаковий агрегат-ний стан, то середовищем називають той з них, який узято в біль-шій кількості. Наприклад, у розчині кухонної солі у воді останню розглядають як розчинник, а кухонну сіль — як розчинену речо-вину, оскільки її взято в меншій кількості.

Властивість різних речовин розчинятися в інших речовинах ви-ражена не однаковою мірою. Одні речовини можуть розчиняти-ся одна в одній безмежно (наприклад, вода й етиловий спирт), інші — лише в обмежених кількостях (наприклад, алюміній хло-рид у воді).

Властивості розчинів, у першу чергу їхня стійкість, залежать від розмірів розподілених частинок. Через це розрізняють грубо-дисперсні системи (суспензії, емульсії), колоїдні та істинні роз-чини (схема 8).

26

Схема 8

Ãðóáîäèñïåðñí³(çàâèñ³)

Òîíêîäèñïåðñí³(êîëî¿äí³ ðîç÷èíè)

²ñòèíí³ðîç÷èíè

Ðîçì³ð ÷àñòèíîêá³ëüøèé çà 10 ì–7

Ðîçì³ð ÷àñòèíîê10 – 10 ì (êðîâ)–9 –7

Ðîçì³ð ÷àñòèíîêìåíøèé â³ä 10 ì

(ðîç÷èí öóêðó ó âîä³)

–9

Ñóñïåí糿 — ó ð³äèí³÷àñòèíêè òâåðäî¿ ðå÷îâèíè (ìóë)

Åìóëüñ³¿ — ó ð³äèí³÷àñòèíêè ³íøî¿ ð³äêî¿

ðå÷îâèíè (ìîëîêî)

Äèñïåðñí³ ñèñòåìè

Суспензії (від латин. суспензіо — «підвішування») — це систе-ми, у яких дрібні частинки твердої речовини рівномірно розподі-лено між молекулами рідкого дисперсійного сере довища (цемент-ні розчини, емалеві фарби, мутна глиниста вода).

Емульсії — це системи з рідким дисперсійним середовищем і рідкою дисперсною фазою (бітумні матеріали, емульсійні фарби, лікарські та косметичні засоби, харчові продукти). Термін похо-дить від латинського дієслова, що означає «доїти», оскільки од-нією з перших вивчених емульсій було молоко.

У суспензіях та емульсіях розміри частинок дисперсної фази досить значні: 10–5–10–7 м. Тому грубодисперсні системи є нестій-кими: із часом їхні частинки або осідають під дією сили тяжіння, або спливають на поверхню — залежно від співвідношення густи-ни дисперсійного середовища та дисперсної фази.

Якщо ця різниця незначна, то частинки осідають або спливають дуже повільно. Такі суспензії іноді називають зависями (рис. 5).

Рис. 5. Борошно, зависле у воді, має блакитне забарвлен-ня. Цей ефект пояснюють тим, що синє світло розсіюєть-ся частинками борошна сильніше, ніж червоне. Розмір частинок борошна вищого ґатунку становить 3–4 • 10–5 м

27

Демонстраційний дослід

• Приготування суспензії крейди у воді

У фарфоровій ступці ретельно розтирають шматочок крейди до станутонкогопорошку.Вносятьвпробіркуодинмікрошпательодержаногопо-рошку,доливають3–4 млдистильованоїводийдекількаразівенергійнозбовтують вміст пробірки. Частинки крейди розподіляються практичнорівномірновусьомуоб’ємірозчину.Поміщаютьпробіркувштатив:декіль-кахвилинвідбуваєтьсярозшаровуванняприготованоїсуспензії.

• Приготування емульсії олії у воді

Утрипробіркиналиваютьводудополовиниїхньогооб’єму.Упершудода-ють8–10крапельолії(аборідкогомашинногомасла),закриваютьпробіркупробкою,декількаразівенергійнозбовтуютьйставлятьуштатив.Удругупробіркудодаютьп’ятькрапельрозчинумилазмасовоючасткою2%та8–10крапельолії, такоженергійно збовтуютьвмістпробіркий ставлятьу штатив.Утретюпробіркунасипаютьтримікрошпателінатрійтетрабора-тудекагідрату(бури) Na B O H O2 4 7 210æ , збовтуютьдоповногорозчиненнясолі, додають 8–10 крапель олії, енергійно збовтують (2–3 хв) і ставлятьу штатив.Уякихпробіркахспостерігаєтьсяшвидкерозшаруванняемуль-сії?Якийвисновокможназробитипростійкістьемульсійвіншихпробір-ках?Якурольвідіграютьмилотабура?Поясніть їхнійвпливнастабіль-ністьемульсії.

Колоїдні та істинні розчини. Якщо розміри частинок розподі-леної речовини менші за 10–9 м, то система є стійкою і не роз-шаровується під час тривалого стояння. Такі системи називають істинними, або молекулярними, розчинами. Їхні частинки не можна виявити оптичними методами. Через це істинні розчини вважають однорідними системами.

Проміжними між істинними розчинами та грубодисперсними системами (зависями) є тонкодисперсні системи, або колоїдні розчини (з грец. кола — клей, ейдос — вид, тобто «клеєподібні»). Це такі дисперсні системи, у яких розміри розподілених частинок знаходяться між розмірами частинок зависей та істинних розчи-нів. Розмір частинок колоїдних розчинів становить 10–7–10–9 м. Такі частинки не можна побачити неозброєним оком, однак їх можна роздивитися в розчині за допомогою ультрамікроскопа: промені світла відбиваються від колоїдних частинок, заломлю-ються й стають видимими. Отже, тонкодисперсні системи нале-жать до неоднорідних.

Дисперсна фаза та дисперсійне середовище відстоюванням роз-діляються досить повільно.

28

Для допитливихПрикладом складної дисперсної системи є молоко (рис.  6),складовіякого —вода,жир,казеїнімолочнийцукор.Жирпере-буваєувиглядіемульсії.Підчасстояннямолокавінпоступовоспливаєнаповерхню,такимчиномутворюючивершки.Казеїнміститьсяумолоціувиглядіколоїдногорозчинуйсамочинноневиділяєть-ся.Однакйоголегкоможнаосадитиувиглядісиру,підкислившимолоко,наприкладоцтом.Уприроднихумовахказеїнвиділяєтьсяврезультатіски-саннямолока.Нарешті,молочнийцукорперебуваєувиглядімолекуляр-ногорозчину,виділитийогоможналишеврезультатівипаровуванняводи.

20 мкм

à á

Рис. 6. Молоко здається нам однорід-ною рідиною, коли ми розглядаємо його не озброєним оком (а). Якщо ж краплю молока помістити під мікро-скоп, добре видно краплинки молоч-

ного жиру (б)

Експериментуємо вдомаПриготування страв на основі колоїдних розчинів

• Приготування желе: 400 г цукру, 0,25 чайної ложки оцтовоїесенції, 2 склянки води, лимонна кислота на кінчику чайноїложки.Дляприготуванняжелевикористовуютьжелатин.Це—білковийматеріалзM

r=50–70тис.Жела-

тинутворюєтьсяпідчасдовготривалоїлужноїобробцікісток,хрящів,сухожиллязподальшоюекстракцієюводоюзатемператури50–100°C.Властивістьжелатинунабуватидраглистоїкон-систенціївикористовуютьухарчовійпромисло-востітадлявиготовленняфотоплівки.Добре промийте в холодній проточній воді тазамочіть (1 частина желатину на 13–15 частинводи).Через2–3годининадлишокводизлийте.Зварітьсироп(співвідношенняцукрутаводи—1 : 1), охолодіть до 60  °С. До сиропу додайтенабухлийжелатин,розмішайтетапропустітькрізьситозневеликимироз-мірамиотворів.Якщожелатинпоганорозчинився,підігрійтесуміш,без-перервноперемішуючи.Розлийтепоформочкахіпоставтевхолодильник(рис.7).

• Приготування киселю: на1кггустогокиселюнеобхідновзяти70гкрох-малю,середньоїгустоти—40г,рідкого—30г.(В1чайнійложціміститься10гкрохмалю.)Перед заварюванням крохмаль розводять холодною кип’яченою водоюабосокомізрозрахункуодначастинакрохмалюначотиричастинирідини.

Рис. 7. Желе — харчо-вий колоїдний роз чин

29

Рідкікиселі,атакожкиселісередньоїгустотипіслясполученнязкрохма-лемнекип’ятять,алишедоводятьдокипіння,оскількипідчастривалогонагріваннякисільвтрачаєхарактернуконсистенцію.Приготуєморідкийяблучнийкисіль.Візьміть3яблука,0,5склянкицукровогопіску,3чайніложки (30г)крох-малю,лимоннукислотунакінчикучайноїложкита4склянкиводи.Яблуканаріжте,залийтегарячоюводоютаварітьпротягом15–25хв.Процідітьвід-варкрізьситозотворамималенькогодіаметра.Розвареніяблукапротріть,додайтедовідвару.Насиптелимоннукислотуіцукор,розмішайте,нагрійтедокипіння.У гарячийсиропвлийтерозведенийпитноюводоюкрохмаль,розмішайте,доведітьдокипіння,розлийтевпорційнийпосудтаохолодіть.

Основні поняття. Дисперсні системи. Дисперсна фаза. Диспер-сійне середовище. Суспензія. Емульсія. Колоїдний розчин. Істин-ний розчин.

Запитання та завдання 1. Які системи називають дисперсними? 2. Який компонент дисперсної системи називають дисперсій-

ним середовищем? дисперсною фазою? 3. Що таке зависі? колоїдні розчини? істинні розчини? Яка із цих дис-

персних систем є найстійкішою? 4. Істинним називають розчин, розмір частинок розчиненої речовини

в якому: а) менший від 10–9 м; в) 10–5–10–7 м; б) 10–7–10–9 м; г) 10–3–10–5 м. 5. Який розмір частинок має бути в дисперсній системі, щоб її можна

було віднести до колоїдних розчинів? 6. Яку дисперсну систему називають суспензією? емульсією? Чим вони

відрізняються?

§ 4. Загальна характеристика розчинів. Значення розчинів у природі, житті та практичній діяльності людини

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•зякихкомпонентівскладаєтьсярозчин;•щоєосновноюознакоюрозчинів;•якимибуваютьрозчинизаагрегатнимстаном;•прозначеннярозчинівуприроді,життійгосподарськійдіяльностілюдини.

Поняття про розчини. У повсякденному житті ми щоденно сти-каємося з розчинами. Серед них розчин оцтової кислоти (столовий оцет), водний розчин амоніаку (нашатирний спирт), водний роз-чин гідроген пероксиду (перекис водню), спиртовий розчин йоду, спиртовий розчин брильянтового зеленого (зеленка) тощо. Для

30

консервування овочів і фруктів широко застосовують водні роз-чини кухонної солі та цукру.

А яке визначення цього поняття дає наука?Розчин — це однорідна система, яка складається з двох або

більше компонентів (розчинника та розчинених речовин), віднос-ні кількості яких можуть змінюватися в широких межах.

Розчинником вважають той компонент, який у чистому вигляді існує в тому самому агрегатному стані, що й розчин. Якщо оби-два компоненти перебувають в одному агрегатному стані, то роз-чинником умовно вважають той, який узято в більшій кількості. Воду практично завжди вважають розчинником, незалежно від її кількості в розчині.

Нагадаємо, що однорідними вважають такі системи з двох або кількох речовин, у яких неозброєним оком і навіть під мікроско-пом не можна виявити їхні частинки. При цьому кожний із ком-понентів розподілений у масі іншого у вигляді своїх частинок — атомів, молекул або йонів.

За основною ознакою — однорідністю розчини відрізняються від механічних сумішей (склад і властивості яких непостійні) і більше нагадують хімічні сполуки (склад яких є сталим). Про-те розчини не мають строго визначеного складу. У цьому полягає суттєва відмінність від хімічних сполук.

За агрегатним станом розчини бувають газоподібними, рідки-ми та твердими. Газоподібними розчинами є повітря та інші сумі-ші газів. Прикладом рідких розчинів є розчини спирту та цукру у воді тощо, твердих — сплави (розчини одного або кількох мета-лів в іншому, наприклад латунь або сталь).

Сталь (твердий розчин) — сплав заліза з вуглецем і домішками, а також легую-чими металами, які надають їй певних властивостей (рис. 8).

Найпоширенішими є рідкі розчини. Вони складаються з розчинника (ріди-ни) і розчинених речовин (газоподібних, твердих чи рідких). Розчини можуть бути як водними (розчинник — вода), так і неводними (органічні розчинни-

ки — спирт, естер, бензин та ін.). Органічними розчинниками розчиняють жири, лаки, фарби. На основі органічних розчинни-ків виготовляють клеї. Наприклад, відомий клей БФ-2 — це роз-чин органічних смол у спирті, а гумовий клей — розчин каучуку в бензині.

Рис. 8. Сталеві труби — продукція Нікополь-

ського трубного заводу

31

Найпоширеніші — водні розчини, оскільки у воді розчиня-ється багато твердих, рідких та газоподібних речовин.

Значення розчинів у природі, житті та практичній діяльно сті людини. Більшість хімічних реакцій відбуваються у розчинах, через це розчини мають велике значення у житті природи. Вода морів та океанів — розчин. У морській воді зародилося життя.

Вода на Землі відіграє роль могутньої геологічної сили. Вона розчиняє та переносить величезні кількості розчинених речовин. Із природних водних розчинів утворюються осадові гірські поро-ди, джерела мінеральних вод.

Розчинення водою, наприклад, вапняку спричиняє утворення печер, виникнення в них сталактитів і сталагмітів.

Рослини беруть усі поживні речовини з ґрунту у вигляді роз-чинів. Організми тварин і людина також потребують розчинів, оскільки процес травлення неможливий без перетворювання їжі на розчинні сполуки й подальшого всмоктування їх стінками шлунка й кишечника. Розчинами є найважливіші фізіологічні рідини — плазма крові, лімфа, травні соки, рідкий вміст живих клітин (цитоплазма, ядерний сік — каріоплазма) та ін. Дисперсій-ним середовищем крові є плазма — водний розчин неорганічних солей і білків. Багато медичних препаратів застосовують у вигляді розчинів хімічних речовин у воді або спирті.

У сільськогосподарській практиці у вигляді рідких розчинів ви-користовують деякі добрива та засоби хімічного захисту рослин. Багато технологічних процесів у різних галузях промисловості (добування металів, виробництво добрив, фарб, паперу, харчових продуктів, зубної пасти, лаків тощо) відбуваються у розчинах.

У хімічних лабораторіях замість твердих речовин часто вико-ристовують їхні розчини. Розчинені речовини швидше взаємоді-ють у хімічних реакціях.

Вода сприяє перетворенню речовин одного класу на речовини ін-шого (наприклад, у реакціях оксидів з водою утворюються кисло-ти й основи). Розчини цих речовин ми вивчаємо на уроках хімії.

Основні поняття. Розчин. Розчинник. Розчинена речовина. Тверді, рідкі та газоподібні розчини.

З історії хіміїДо80-хроківXIXст.існувалафізичнатеоріярозчинів,якурозвивалиу своїхпрацяхголландськийученийЯ.Вант-Гофф,шведський—С.Арреніустаін.Вонирозглядалирозчиниякмеханічні сумішідвохабобільшої кількостіречовин. Вважали, що в розчинах відсутня будь-яка взаємодія міжрозчиненоюречовиноютарозчинником.

32

Вивчаючи процес розчинення, Д. І. Менделєєв звернув увагу на хімічніявища,щойогосупроводжували.У1887р.вченийзапропонувавхімічну(гідратну)теоріюрозчинів.Згідно ізцієютеорією,розчини—ценестійкіхімічнісполукичастинокрозчиненоїречовинийрозчинника.Усучаснійфізико-хімічнійтеоріїрозчинівоб’єднаноположенняхімічноїтафізичноїтеорій.Уїїствореннівеликурольвідігралипрацібагатьохучених,зокремаінашогоспіввітчизникаМ.А.Ізмайлова.

Микола Аркадійович Ізмайлов(1907–1961)

Уродженець Кавказу, М. А. Ізмайлов майже все життя прожив у Харкові — навчався, працював, ро-бив відкриття. З 1931 р. його діяльність пов’язана з Харківським університетом і науково-дослідним хі-міко-фармацевтичним інститутом. Результати бага-торічних досліджень властивостей розчинів учений узагальнив у класичній монографії «Електрохімія розчинів».

За видатні досягнення та самовіддану працю М. А. Ізмайлова нагороджено орденами й медалями, він лауреат престижних наукових премій.

Запитання та завдання 1. Яка основна ознака характеризує розчини? 2. За якою ознакою розчини відрізняються: а) від механічних

сумішей; б) від хімічних сполук? 3. Як розрізняють розчини за агрегатним станом? 4. Чи можуть розчини бути неводними? Наведіть приклади. 5. Яке значення мають водні розчини в природі, житті та практичній

діяльності людини? 6. Розгляньте схему. Доповніть її прикладами застосування дисперсних

систем та поширення їх у природі.

Ó ïðèðîä³

Äèñïåðñí³ñèñòåìè

Ó ïîáóò³

Ó ìåäèöèí³Ó ñ³ëüñüêîìóãîñïîäàðñòâ³

Ó ïðîìèñëîâîñò³

33

§ 5. Розчинення — фізико-хімічний процес

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•наякіструктурнічастинкиподрібнюютьсяречовинипідчасрозчинення;•чомурозчиненнявважаютьфізико-хімічнимпроцесом.

Сутність процесу розчинення. Розчинення — це процес переходу речовини в розчин без зміни ступенів окиснення елементів. Про-стежимо за цим процесом на прикладі солі та кислоти чи основи.

Під час розчинення відбувається подрібнення речовини до стану молекул або йонів, наприклад:

NH NO NH NO ( ) NH4 3 4 3тв р. р�на NOрозчинення у воді3( ) → ++ −� 4

( )р-н , *

а також рівномірний розподіл (дифузія) частинок, що утворили-ся, між молекулами води. Процес дифузії відбувається спонтанно в результаті теплового руху частинок розчину. Подрібнення й ди-фузія — це фізичні процеси, тому й розчинення можна вважати фізичним процесом.

Демонстраційний дослідДифузія в рідинахУциліндричнупосудинуоб’ємом250млналиваютьдистильованоїводидо2/3їїоб’єму.Потімзадопомогоюпіпеткиобережнодоливають,уникаючиперемішування,на їїдно20млконцентрованогорозчинукалійдихрома-туK

2Cr

2O

7—речовиниоранжево-червоногокольору.Починаючиізцього

моментумолекуливодипроникатимутьунижнійшаррозчину,ачастинкисолі—уверхній.Такийпроцесвідбуватиметься,покиконцентраціяроз-чинув усьомуоб’ємінестанеоднаковою—процесвідчитимейогоодно-ріднезабарвлення.

Однак якщо в хімічний стакан з водою за кімнатної температу-ри внести кристали солі — амоній нітрату, то в міру розчинення солі розчин охолоне настільки сильно, що стакан навіть примерз-не до столу, якщо зовні був мокрим. Це може відбутися лише в результаті витрачання енергії у вигляді теплоти.

На який процес витрачається енергія?На переведення речовини з твердого стану в розчинений, тобто

на руйнування кристалічних ґраток.Вода витрачає свою енергію на руйнування хімічних зв’язків

(NH4+)—(NO

3–) у йонному кристалі солі. Йони NH

4+ та NO

3–, що утво-

рилися, переходять у розчин. Отже, під час розчинення NH

4NO

3 у воді температура розчину

знижується. Проте другий експеримент змушує замислитися.

* Рівняння в дужках показує, що сіль у розчині перебуває у вигляді йонів.

34

Якщо розчинити у воді іншу речовину з йонними кристалічни-ми ґратками — натрій гідроксид NaOH, то виявиться, що темпе-ратура розчину підвищується:

NaOH NaOH ( ) Na OH ( )(тв.) р.р. р�нрозчинення у воді → + + −�

Йонні ґратки руйнуються (адже утворюється розчин), вода ви-трачає свою енергію, а температура не тільки не знижується, а, навпаки, зростає. Зрозуміло, що відбувається ще якийсь процес з виділенням теплоти і цей процес має перевагу над руйнуванням кристалічних ґраток.

У результаті додавання до води, наприклад, сульфатної кислоти також відбувається розігрівання розчину, тобто розчинення су-проводжується виділенням теплоти.

Отже, виділення або поглинання теплоти під час розчинення вказує на наявність хімічного процесу, зумовленого утворенням якихось нових зв’язків.

Які ж зв’язки утворюються?Після руйнування йонних зв’язків (Na+)—(OH–), так само, як

і для NH4NO

3, йони Na+ і OH– потрапляють у воду. Полярні моле-

кули води — диполі («два полюси») певним чином орієнтуються навколо кожного з йонів, електростатично взаємодіють з ними, створюючи водну оболонку (рис. 9).

— схематичне зображення молекули води

Na+OH

–

Рис. 9. Гідратовані йони Na+ і OH– у водному розчині

Такі водні оболонки навколо йонів називають гідратними, про-цес їхнього утворення — гідратацією, а продукти — гід ра то ва­ни ми йонами. Експерименти показують, що гідратна оболонка навколо кожного йона складається приблизно з 30 молекул води. Цей процес супроводжується виділенням енергії.

Сила, яка зв’язує частинки в гідратній оболонці, та кількість диполів Н

2О в ній залежать від багатьох факторів: від заряду йона

та його розмірів, від температури розчину, від кількості води тощо. Енергія кристалічних ґраток також залежить від хімічної

35

природи йонів, що їх утворюють. Тому й кількість теплоти, що виділяється чи поглинається під час розчинення, різна.

Демонстраційний дослідТеплові явища під час розчиненняНаливаютьудвахімічністаканиємністю100млводуоб’ємом50млі вимі-рюютьтемпературутермометром.Потімводинзістаканівнасипають0,4 гамонійнітрату,розмішуютьйогодоповногорозчиненнятазновувимірюютьтемпературу.Якимчиномзміниласятемпература:зрослачизнизилася?Удругийстаканнасипають0,55 гCaCl

2, попередньопрожареноговму-

фельнійпечізатемператури300 °Стаохолодженогодокімнатноїтемпера-тури.Розмішуютьйогоскляноюпаличкоюдоповногорозчиненняівизна-чають температуру розчину. Попереднє прожарювання кальцій хлоридунеобхіднедляодержаннязневодненоїсолі:

CaCl H O CaCl H O2 2 2 26 6⋅ = + ↑t

Уякомузпроведенихдослідіввідбувалосявиділеннятеплоти,авякому —поглинання?

Таким чином, ми спостерігали, що процес розчинення речовин в одних випадках супроводжується поглинанням теплової енер-гії, а в інших — її виділенням. Це свідчить про те, що під час розчинення речовин відбуваються як фізичні явища (подрібнення речовин до структурних частинок — молекул або йонів, їхня ди-фузія), так і хімічні — взаємодія утворених частинок з молеку-лами розчинника. Загальний тепловий ефект процесу розчинення залежить від співвідношення величини енергії, яка поглинається у результаті розриву зв’язків між йонами і величини енергії, яка виділяється у результаті хімічної взаємодії цих часток з молеку-лами води, тобто гідратації. Отже, розчинення — це фізико-хіміч-ний процес. Висновок: розчини займають проміжне положення між механічними сумішами та хімічними сполуками.

Схожість розчинів з механічними сумішами:а) розчини не мають сталого складу, він може змінюватися в широких межах;б) розчини зберігають багато властивостей розчинника й розчи-неної речовини. Їх можна легко розділити на складові, так само як і механічні суміші.

Схожість розчинів із хімічними сполуками:а) розчини однорідні та стійкі, не осаджуються й не розшарову-ються під час тривалого стояння;б) процес розчинення супроводжується тепловими явищами, а в багатьох випадках — зміненням кольору.Основні поняття. Подрібнення розчиненої речовини. Дифузія.

Теплові явища. Гідратація.

36

Запитання та завдання 1. Який процес називають розчиненням? Чи відбувається при

цьому зміна ступеня окиснення елементів? 2. Чому процес розчинення можна назвати: а) фізичним; б) хі-

мічним; в) фізико-хімічним? 3. Який процес — фізичний чи хімічний — супроводжується: а) погли-

нанням енергії; б) виділенням енергії? 4. Як називають водні оболонки, що утворюються навколо кожного

йона, коли він переходить у воду? Як називають полярні молекули води, що утворюють водні оболонки?

5. Чим розчини схожі з механічними сумішами? із хімічними сполуками?

§ 6. Кристалогідрати

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакекристалогідрати;•якуводуназиваютькристалізаційною;•якобчислюватимасовучасткукристалізаційноїводивкристалогідратах.

Поняття про кристалогідрати. Продуктом електростатичної вза-ємодії води з частинками розчиненої речовини є гідрати. Процес утворення гідратів називають гідратацією. Гідратація має місце для будь-яких частинок — і молекул, і йонів.

Гідрати — це нестійкі сполуки змінного складу, що утворю-ються під час хімічної взаємодії молекул води з частинками роз-чиненої речовини.

Гідрати зазвичай розкладаються під час випарювання розчинів. Але іноді взаємодія між молекулами розчинника та частинками розчиненої речовини (молекулами або йонами) настільки сильна, що утворюються стійкі сполуки. Їх можна виділити з розчину у вигляді так званих кристалогідратів — кристалічних речовин, що містять молекули води. Воду, що входить до їхнього складу, називають кристалізаційною.

Склад кристалогідратів описують фор-мулами, що показують, яку кількість кристалізаційної води містить кристало-гідрат. Наприклад, якщо до купрум(ІІ) сульфату (порошок білого кольору) доли-ти воду, то отримаємо розчин блакитно-го кольору. У результаті обережного ви-парювання цього розчину утворюються кристали синього забарвлення (рис. 10).

Рис. 10. Кристали мід-ного купоросу

37

Це інша речовина — мідний купорос CuSO H O,4 25æ або купрум(ІІ) сульфат пентагідрат.

У назвах кристалогідратів використовують грецькі назви чис-лівників: один — моно-, два — ди-, три — три-, чотири — тет­ра-, п’ять — пента-, шість — гекса-, сім — гепта-, вісім — окта-, дев’ять — нано-, десять — дека-.

Запишемо перетворення безводного купрум(ІІ) сульфату на мід-ний купорос рівнянням:

CuSO +5H O = CuSO H O4 2 4 25æПід час прожарювання мідного купоросу виділяється вода та

знову утворюється купрум(ІІ) сульфат:

CuSO H O CuSO +5H O4 24 25æ =t

Приклади інших кристалогідратів: FeSO H O4 27æ — залізний ку-порос, або ферум(ІІ) сульфат гептагідрат, CaSO H O4 22æ — гіпс, або кальцій сульфат дигідрат, Na CO H O 2 3 210æ — кристалічна сода, або натрій карбонат декагідрат.

Міцність зв’язку між водою та сіллю в різних кристалогідра-тах неоднакова: одні відщеплюють кристалізаційну воду навіть за кімнатної температури, а зневоднення інших потребує досить сильного нагрівання.

Явище гідратації йонів можна спостерігати на такому досліді.

Лабораторний дослід 1Гідратація йонів у розчині

Упробірку,заповненуна1/4об’ємудистильованоюводою,помістітьневе-ликийкристаликбезводногокупрум(ІІ)сульфату—речовинибілогокольо-ру.Урезультатійогорозчиненняуводіутворюєтьсязабарвленийрозчин.Якогокольору?Забарвленнярозчинуобумовленоутвореннямгідратова-

нихйонівкупруму(ІІ)—Cu H O)( .22m+ Перелийтецейрозчинутигельнеобхід-

ногооб’єму.Задопомогоютигельнихщипцівобережнонагрійтетигельнагазовомупальникудопоявипершихкристаликів.Звернітьувагуна їхнійколір.Якийскладвонимають?Якщоводувипаруватиповністютакриста-ликипрожаритизатемператури,вищоїза250 °С,тозабарвленнязмінить-сянаінше.Наяке?Чому?

Наосновіотриманихрезультатівскладіть:а)рівняннягідратаціїйонакупрум(ІІ)тасульфат-іона;б)рівнянняреакціїутвореннякристалогідрату;в)рівняннятермічногорозкладаннякристалогідрату.

Обчислення масової частки кристалізаційної води в кристало-гідратах. Розглянемо на прикладі, як визначати масову частку кристалізаційної води в кристалогідратах.

38

Приклад розв’язування задачіОбчисліть масову частку кристалізаційної води в кри-

сталогідраті складу Al (SO H O2 4 3 218) .æ

Дано:Al (SO H O2 4 3 218) æ

Розв’язанняВідношення маси будь-якої речовини, в да-ному випадку H

2O, що входить до складу ще

більш складної речовини Al2(SO

4)3•18H

2O, на-w(H

2O) — ?

зивають масовою часткою цієї речовини та позначають w(H2O):

wm

m( )

( )

[ ]H O

H O

Al (SO ) H O2 4 3

22

218

=⋅

або wM

M( )

( )

[ ]H O

H O

Al (SO ) H O2 4 3

2

18

182

2

=⋅

⋅

Оскільки масову частку виражають у відсотках, то вміст води в 100 г кристалогідрату становить:

wM

M( ) % %

( )

[ ]H O

H O

Al (SO ) H O2 4 3

2

18

18

18 18

6662

2

100 100 48= ⋅ = ⋅ =⋅

⋅

⋅ г

г,, %.65

Відповідь: 48,65 %.

Основні поняття. Кристалогідрати. Кристалізаційна вода.

Запитання та завдання °1. Які сполуки називають кристалогідратами? Наведіть при-

клади. Яку воду називають кристалізаційною? °2. Обчисліть масову частку кристалізаційної води в кристало-

гідраті Na S H O2 29æ . 3. Яка масова частка кристалізаційної води міститься в кристалогідраті

Na CO H O2 3 210æ ? 4. Склад кристалогідрату можна описати формулою CaCl H O2 26æ . Ви-

значте масову частку кристалізаційної води в цій речовині. 5. Яка масова частка кристалізаційної води в кристалогідраті

ZnSO H O4 27æ ? 6. Яка масова частка кристалізаційної води в кристалогідраті

Fe (SO ) H O?2 4 3 29æ а) 32,4 %; в) 24,6 %; б) 28,8 %; г) 22,9 %. *7. Якою є формула кристалогідрату, утвореного MgCl

2, якщо масова

частка кристалізаційної води в ньому становить 53,2 %? *8. Якою є формула кристалогідрату, утвореного Ca(NO

3)2, якщо масова

частка кристалізаційної води в ньому становить 69,5 %? 9. Визначте масову частку купрум(II) сульфату в розчині, утвореному

розчиненням у 1,2 кг води купрум(II) сульфату пентагідрату масою 400 г.

10. Яка маса магній сульфату гептагідрату випаде в осад під час повіль-ного випарювання 700 г розчину магній сульфату з масовою часткою 8,4 %?

39

§ 7. Будова молекули води. Поняття про міжмолекулярний водневий зв’язок

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якпобудованамолекулаводи;•щотакеміжмолекулярнийводневийзв’язок;•чомуводаєнайбільшуніверсальнимрозчинником.

Будова молекули води. Двовалентний атом Оксигену утворює з атомами Гідрогену молекулу води кутової форми (рис. 11).

Це пояснюють тим, що обидва валентні (неспарені) електрони центрального атома молекули води — Оксигену перебувають на 2р-орбіталях, які розташовані в просторі в площині під кутом 90° одна до одної:

↑↓↑↓ ↑ ↑

8O

2s2p

py

px

90°

Неспарені електрони обох атомів Гідрогену перебувають на 1s-орбіталі:

↑1H

1s

Під час утворення молекули води s-орбіталі атомів Гідрогену перекриваються р-орбіталями атома Оксигену з утворенням куто-вої структури (рис. 11). При цьому кут між двома ковалентними

104,

5°

O

H

H

à á

104,

5°

HO

H

Рис. 11. Утворення молекули води: а — схема взаємодії атомів Гідрогену з атомом Оксигену; б — кулестрижнева модель

40

зв’язками становить приблизно 104,5°. Відбувається зміщення спільних елек-тронних пар обох зв’язків у бік атома Оксигену як більш електронегативного атома порівняно з атомом Гідрогену. Унаслідок цього на атомах Гідрогену ви-никають надлишкові позитивні заряди d+, а на атомі Оксигену — надлишковий негативний заряд 2d– (рис. 12). Отже,

молекула води полярна, тобто являє собою диполь.Поняття про міжмолекулярний водневий зв’язок. Між проти-

лежно зарядженими атомами Гідрогену та Оксигену різних мо-лекул води виникає електростатична взаємодія, у результаті чого молекули води можуть взаємодіяти — притягува-тися одна до одної. Такий різновид вза-ємодії називають міжмолекулярною взаємодією.

Подібний зв’язок виникає між моле-кулами, до складу яких входять атом Гідрогену та атом сильно електронега-тивного елемента Флуору, Оксигену, Нітрогену, рідко Хлору та Сульфуру. У таких молекулах спільна електро-нна пара сильно зміщується від ато-ма Гідрогену до атома електронега-тивного елемента, а позитивний заряд атома Гідрогену d+ зосереджується в малому об’ємі. Тому протон, тобто атом Гідрогену однієї моле-кули, що практично втратив свій електрон, взаємодіючи з непо-діленою електронною парою, наприклад, атома Оксигену іншої молекули, скажімо, води, усуспільнює її. У результаті утворю-

ється інший, слабкіший за ковалентний (при-близно в 15–20 разів) зв’язок (рис. 13), який називають міжмолекулярним водневим.

Через це відбувається асоціація молекул води (рис. 14), тобто сполучення їх у складніші (подвоєні, потроєні тощо) асоціати, склад яких можна описати формулою (Н

2О)

n, де n = 2, 3

і т. д.Утворення водневих зв’язків між кількома

молекулами води можна подати у вигляді фор-Рис. 14. Асоціація

диполів води

H

H

O2δ−

δ+

δ+

Рис. 12. Розподіл зарядів у молекулі води: центр негативного заряду розта-шований на атомі Оксиге-ну, центр позитивного — між атомами Гідрогену

Рис. 13. Водневий зв’язок між молекулами води (по-зна че но чорними пунк тир-ни ми лі ні ями), кова лент-ний між атомами Гід ро гену та Оксигену — жов тими

суцільними

41

мул; водневий зв’язок зображено точками, на відміну від кова-лентного, який позначають рисками:

àáîH

H

O H—

—

—

H

O H—

H

O H

—

—

H

O

—

—... ... ... ...... ...

O H

H

O H—

——

H

H

O—

—

H

H

—

—

...

H

H

— O

—

—

H

O... ...

Як видно зі схеми, кожна молекула води може утворити чотири водневі зв’язки із сусідніми молекулами. Саме таким чином по-будований лід, і тому він має дірчасту структуру.

Під час плавлення льоду ця структура руйнується, молекули води набувають компактнішої структури. Через це густина води є більшою, ніж густина льоду.

Наявністю водневих зв’язків пояснюють підвищену температу-ру танення льоду (0 °С) і кипіння води (100 °С) порівняно з від-повідними температурами сполук Гідрогену з іншими елементами VI-A групи (H

2S, H

2Se, H

2Te), оскільки в такому випадку необхід-

не додаткове витрачання енергії на руйнування водневих зв’язків.Утворенням асоціатів пояснюють високу теплоємність води та

великі витрати теплоти на її випаровування — саме за рахунок витрачання теплоти на випаровування води з поверхні шкіри наш організм підтримує нормальну температуру в спеку.

Установлено, що лише водяна пара складається з неасоційова-них (вільних) молекул Н

2О.

Саме завдяки великій полярності молекул Н2О вода є універ­

сальним розчинником. Вона добре розчиняє йонні сполуки та речо вини, що складаються з полярних молекул.

Основні поняття. Міжмолекулярний водневий зв’язок.

Запитання та завдання 1. Яку геометричну форму мають молекули води? Чим це по-

яснити? 2. Чим відрізняється характер хімічного зв’язку в молекулі

води та молекулах водню та кисню? 3. В атомі Оксигену на 2p-орбіталях неспарені електрони перебувають

під кутом 90°. Чому в молекулі води кут між двома ковалентними зв’язками становить 104,5°?

42

4. Що таке міжмолекулярний водневий зв’язок? У яких випадках він виникає? Як його умовно позначають?

5. Чому вода має більшу густину, ніж лід? 6. Чим пояснюють той факт, що H

2O має більшу температуру кипіння

порівняно з температурами кипіння речовин подібної будови H2S,

H2Se, H

2Te?

7. Чому вода є універсальним розчинником? 8. Гідратація — це процес, який відбувається за участі розчиненої

у воді речовини внаслідок: а) хімічної взаємодії з водою; б) приєднання молекул води за рахунок електростатичної взаємодії; в) розчинення у воді; г) розриву всіх водневих зв’язків між молекулами води.

§ 8. Розчинність речовин у воді. Залежність розчинності від різних чинників

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакерозчинністьречовини;•яквпливаєтемпературанарозчинністьтвердихірідкихречовин;•чомурозчинністьгазів,навідмінувідтвердихречовинірідин,зменшуєтьсязпідвіщеннямтемператури;•якрозчинністьречовинзалежитьвідтиску.

Розчинність речовин у воді. Здатність речовин розчинятися у воді або якомусь іншому розчиннику називають розчинністю.

Вода — найбільш універсальний розчинник.Розчинність речовин не є безмежною. За розчинністю у воді ре-

човини можна поділити на три групи (схема 9): практично нероз­чинні (наприклад, аргентум(I) хлорид — 0,0015 г/л), малорозчин­ні (гіпс — 2 г/л) і добре розчинні (цукор — 2000 г/л).

Відповідно до кількості розчиненої речовини розчини можуть бути ненасичені, насичені й пересичені.

Розчин, у якому речовина більше не розчиняється за даної тем-ператури й постійного тиску, називають насиченим, а розчин, у якому ще може розчинитися додаткова кількість даної речови-ни, — ненасиченим.

Щоб приготувати насичений розчин, треба у воду за даної темпе-ратури додавати, безперервно перемішуючи, речовину, поки не утво-риться осад, тобто надлишок речовини залишиться нерозчиненим.

Наприклад, насичений розчин натрій хлориду (кухонної солі) за кімнатної температури утворюється в результаті розчинення в 100 г води 36 г солі. Якщо додати ще деяку кількість солі, то більше в цьо-

43

му розчині вона не розчинятиметься, а перебуватиме на дні у вигляді осаду (рис. 15).

Однак під час нагрівання суміші солі з водою до 100 °С у 100 г води може розчинитися 39,8 г солі. У результаті охолодження цього роз-чину надлишок солі не завжди випадає в осад. Такі розчини назива-ють пересиченими. Вони є дуже нестійкими, і з них може самовільно виділятися розчинена речовина.

Якщо в пересичений розчин внести криcталік цієї речовини, то на його поверхні починаєть-ся стрімка кристалізація: надлишкова кількість розчиненої речовини виділяється у вигляді кристалів. Унаслідок цього пересичений розчин перетворюється на насичений. Часто кристалі-зація починається навіть від легкого струшуван-ня пересиченого розчину.

Схема 9

Ðå÷îâèíè ç ïîëÿðíèì êîâàëåíòíèì

³ éîííèì çâ’ÿçêîì

Öóêîð, ì³äíèé êóïîðîñ, íàòð³é

ã³äðîêñèä (òâåðä³ ðå÷îâèíè); ñïèðò, àöåòîí, ãë³öåðîë

(ð³äèíè); ã³äðîãåí õëîðèä, êèñåíü,

àìîí³àê (ãàçîïîä³áí³ ðå÷îâèíè)

Ðå÷îâèíè(ðîç÷èíí³ñòü çà 20 °Ñ)

äîáðåðîç÷èíí³ (Ð)

á³ëüøå 1 ã ó 100 ã âîäè

ìàëîðîç÷èíí³ (Ì)

â³ä 0,001 äî 1 ãó 100 ã âîäè

ïðàêòè÷íî íåðîç÷èíí³ (H)

ìåíøå 0,001 ãó 100 ã âîäè

Ïðèêëàäè

Ðå÷îâèíèç íåïîëÿðíèì

³ ñëàáîïîëÿðíèìêîâàëåíòíèì

òà éîííèì çâ’ÿçêîì

óïñ, ïëþìáóì(II) ñóëüôàò (òâåðä³ ðå÷îâèíè); áåíçåí (ð³äèíà); ìåòàí,

àçîò, êèñåíü (ãàçîïîä³áí³ ðå÷îâèíè)

Àëìàç, êâàðö, öåìåíòèò,

àðãåíòóì(²) õëîðèä (òâåðä³ ðå÷îâèíè); îë³ÿ, ãàñ (ð³äèíè); âîäåíü, ³íåðòí³ ãàçè

(ãàçîïîä³áí³ ðå÷îâèíè)

Ðå÷îâèíèç íåïîëÿðíèì

³ ñëàáîïîëÿðíèìêîâàëåíòíèì

òà éîííèì çâ’ÿçêîì

Рис. 15. Насиче-ний розчин

44

Демонстраційний дослідПриготування пересиченого розчину натрій етаноату

РозтираютьуфарфоровійступцінатрійетаноатдигідратCH COONa 2H O3 2⋅⋅ допорошкоподібногостану.Наповнюютьцимпорошкомпробіркуна3/4їїоб’ємутадодаютьдвікраплиниводи.Закріплюютьпробіркувштативітанагріваютьнаводянійбанідоповногорозчиненнясолі.Виймаютьпробір-ку, закріпленувштативі, з водяноїбані йохолоджуютьнаповітрі. Трутьскляноюпаличкоювнутрішнюстінкупробірки:спостерігаютькристаліза-ціюсолізпересиченогорозчину.

Кількісно розчинність характеризують коефіцієнтом розчин­ності — відношенням маси розчиненої речовини, яка міститься в її насиченому розчині за даної температури, до 100 г розчинника.

Коефіцієнт розчинності позначають ks (де s — це початкова бук-

ва англійського слова solution — розчин).Якщо розчинником служить вода, можна записати так:

ks

m

m=

(

(

р-ни)

H O)2

або ks

m=

(р-ни)

г100 H O2

Через те що густина води дорівнює 1 г/мл, замість маси 100 г можна використовувати 100 мл.

Коефіцієнт розчинності найчастіше вимірюють у г/л.Коли йдеться про розчинність речовини, завжди треба вказува-

ти температуру. Наприклад, коефіцієнт розчинності натрій хлори-ду за температури 20 °С дорівнює 0,36. Це означає, що 36 г цієї солі розчиняються в 100 мл (100 г) води, утворюючи насичений розчин за температури 20 °С. Якщо ж за цих умов розчинити натрій хлорид масою 20 г, то такий розчин буде ненасиченим, оскільки в ньому за вказаної температури може розчинитися ще 16 г цієї речовини.

Розчинність газів визначають об’ємом газу, який може розчини-тися в 1 л розчинника за певної температури.

Розчинність твердих речовин у воді часто визначають за темпе-ратури 20 °С та об’єму води 100 мл.

Вплив різних чинників на процес розчинення. Розчинність у воді більшості речовин залежить від багатьох чинників.• Залежність від температури. Розчинність більшості твердих і рідких речовин з підвищенням температури зростає.Графічно залежність розчинності від температури виражають так званими кривими розчинності (рис. 16). За цими кривими можна визначити розчинність речовини за різних значень температури, вибравши певну точку. Наприклад, розчинність калій нітрату за температури 60 °С становить 120 г на 100 г води.

45

PbCl 2

KOH

Ca(NO )23Kl

KNO3

NaNO 3140

120

100

80

60

40

20

0 20 40 60 80

Òåìïåðàòóðà, °Ñ

Ðîç

÷èíí³ñ

òü,

ã íà

100 ã

H2O

NaOH

NH 4Cl

KBr

K 2Cr

2O 7

Na CO 32

CuSO4NaCl

NaHCO 3

Рис. 16. Криві розчинності деяких солей у воді

Але температурна залежність розчинності різних речовин не од-накова. Так, розчинність калій хлориду з підвищенням темпера-тури зростає досить сильно, а натрій хлориду — незначною мірою, розчинність же кальцій гідроксиду взагалі знижується (табл. 1).

Таблиця 1Розчинність гашеного вапна у воді за різних температур

Температура, °С 0 25 50 75 100

ks(Са(ОН)

2),

г/100 г Н2О

0,176 0,155 0,127 0,098 0,072

Цей факт потрібно враховувати. Наприклад, готуючи вапняну воду — насичений розчин кальцій гідроксиду, не треба нагрівати суміш твердого Са(ОН)

2 і води, оскільки в гарячому розчині цієї

речовини буде менше. Як бачимо, гашене вапно найкраще розчи-няється за 0 °С.

Гази також розчиняються у воді. Розчинність газів у воді можна лег-ко виявити, якщо налити в склянку холодної води й поставити в тепле місце. За деякий час на стінках склянки з’являться бульбашки газу.

46

Розчинність газів з підвищенням температури, на відміну від твердих тіл, зменшується (рис. 17), оскільки при цьому зростає швидкість поступального руху молекул газу й відбувається їх ви-паровування. Під час кип’ятіння розчину розчинені гази майже повністю видаляються.

5

4

3

2

1

0 20 40 60 80 100Òåìïåðàòóðà, °Ñ

Ðîç

÷èíí³ñ

òü,

ìë í

à 100 ã

H2O

H2

O2

N2

Рис. 17. Залежність розчинності деяких газів від температури

• Залежність від тиску. Розчинення твердих і рідких речовин практично не супроводжується зміною об’єму, тому тиск впли-ває лише на розчинність газоподібних речовин. Розчинність газів у рідких розчинниках, зокрема у воді, з під­

вищенням тиску зростає. На цьому ґрунтується один зі способів одержання газованої води. Це розчин (5–10 г/л) вуглекислого газу у воді. Газ у такій воді розчиняють за підвищеного тиску.

У природі велике значення має розчинність кисню у воді, від неї залежить розвиток і підтримка життя у водоймах. Із таблиці 2 вид-но, що в холодній воді кисень розчиняється краще. Ось чому в хо-лодних водах океану підводне життя багатше, ніж у теплих. Через це основ ні промислові зони риболовлі розташовані саме в холодних водах.

Таблиця 2

Розчинність кисню в 1 л води за тиску 101,3 кПа

Температураводи, °С

0 15 25 40 50 60

Розчинністькисню, л

0,050 0,034 0,028 0,023 0,021 0,019

47

Для допитливихЯвищерозчинення газівурідинімаєвеликезначенняуводо-лазнійсправі.Людей,які тривалийчасперебувалиназначнійглибині,категоричнонеможнашвидкопідніматинаповерхню.Кровлюдини,якадихалаповітрямпідвеликимтиском,насиче-наазотом(кисень,щовходитьдоскладуповітря,неслідбратидоуваги,оскількивіншвидкосполучаєтьсязкров’юхімічно).Уразіпідйомузвели-коюшвидкістюазотвиділяєтьсязкровіувиглядібульбашок,якіможутьзакупоритикровоноснісудини.Цевкрайнебезпечно.

Експериментуємо вдома

Як виростити кристалПриготуйте за кімнатної температури насичений розчин ку-хонноїсолі.Дляцьогоналийтевсклянку50млводи,висипте2–3 чайніложкисолі(приблизно40гсоліна100гH

2O)іпере-

мішайте.Якщозапівгодинирозчинзалишитьсянасиченим,профільтруйтекрізьмарлю,складенувдвоє.Половинурозчинувилийтев склянкуємністю100мл.Потімпоставтеїївпівлітровусклянубанку,наполовинузаповне-нусумішшюснігуаботовченогольодузкухонноюсіллюуспіввідношенні3 частиниснігуна1частинусолідлядосягненнятемператури–21 °С.За-крийтебанкупластмасовоюкришкою тапоставте в морозильну камерухолодильника.Зачотиригодинидістаньтебанкуз холодильника,відкрийтебанку,виймітьсклянку.Спостерігайтерозміритаформукристалів.ДругуполовинунасиченогорозчинуNaClвилийтевополоникздерев’яноюабо пластмасовоюручкою.Обережно нагрійте ополоник з розчином наневеликомувогні,щобвипаруваласявода.Коливодавипариться,порів-няйтерозміритаформуотриманихкристалівNaCl.Якийзметодіводержаннякристалів—охолодженнянасиченогорозчинучийоговипарювання—дозволяєотриматикристалибільшогорозміру?

Основні поняття. Розчинність. Коефіцієнт розчинності. Ненаси-чений, насичений і пересичений розчини. Криві розчинності.

Запитання та завдання

1. Що таке розчинність речовини?

2. Як підвищення температури впливає на розчинність у воді твердих, рідких і газоподібних речовин?

3. Який розчин називають: а) ненасиченим; б) насиченим; в) пересиче-ним? Який з указаних розчинів є найбільш: а) стабільним; б) неста-більним? Як визначити насичений розчин?

4. Розчинність у воді якої з речовин з підвищенням тиску зростає:

а) NaCl; в) NaOH;

б) H2SO

4; г) CO

2?

48

5. Як кількісно характеризують розчинність твердих речовин у воді? Що таке коефіцієнт розчинності речовини? Як його позначають? Що таке криві розчинності?

6. Навіщо акваріумісти часто пропускають повітря крізь воду в аква-ріумі?

*7. У 100 г води розчинено: а) 120 г купрум(ІІ) сульфату за 78 °С; б) 160 г калій нітрату за 60 °С; в) 80 г купрум(ІІ)сульфату за 70 °С. Користуючись кривими розчинності (рис. 16), укажіть, у яких ви-

падках розчин буде ненасиченим, насиченим, пересиченим. *8. Придумайте завдання за кривою розчинності: а) знаходження роз-

чинності за даної температури; б) визначення температури за зна-ченням розчинності.

§ 9. Обчислення розчинності речовини

У цьому параграфі ви навчитеся:•визначатимасурозчиненоїречовинизакоефіцієнтомїїрозчинності;•обчислюватикоефіцієнтрозчинностіречовинизамасамирозчиненоїречо-винитарозчинника.

Нагадаємо: кількісно розчинність твердих речовин і рідин ви-ражають коефіцієнтом розчинності. Останній дорівнює масі ре-човини m(p-ни), яка за даної температури розчиняється в 100 г (100 мл) розчинника з утворенням насиченого розчину.

Якщо розчинником є вода, коефіцієнт розчинності описується формулою

ks

m

m=

(

(

р-ни)

H O)2

або ks

m=

(р-ни)

г100 H O2

Коефіцієнт розчинності визначають експериментально або ко-ристуючись кривими розчинності солей (рис. 16).

Приклади розв’язування задач

Приклад 1. Яка маса калій нітрату може розчинитися в 500 мл води за температури 30 °С, якщо його коефіці-єнт розчинності ks

30 0 458° = , г мл?/

Дано:V(H

2O) = 500 мл

ks30° = 0,458 г/мл

Розв’язання

ks

m

m

m

V30

2 2

° = =( )

(

( )

(;

KNO

H O)

KNO

H O)3 3

m(KNO3) — ?

49

m k Vs( ) ( ) , .KNO H O /3 = = =°302 0 458 500 229æ æг мл мл г

Відповідь: 229 г.Приклад 2. Визначте коефіцієнт розчинності натрій хлориду,

якщо при 50 °С у 410,4 г насиченого розчину міститься 110,4 г солі.

Дано:m(р-ну) = 410,4 гm(NaCl) = 110,4 г

Розв’язання 1. Визначаємо масу розчинника — води:410,4 г – 110,4 г = 300 г.2. Обчислюємо коефіцієнт розчинності: k

s50° — ?

ks

m

m50

2

110 4

3000 368° = = =

( )

(

,,

NaCl

H O)

г

млг/мл.

Відповідь: 0,368 г/мл.

Запитання та завдання 1. За температури 50 °С насичений розчин AgNO

3 утворюється

в 19,8 г води. Визначте коефіцієнт розчинності солі за цієї температури.

2. Визначте коефіцієнт розчинності амоній хлориду, якщо за темпера-тури 50 °С у 450 г насиченого розчину міститься 150 г солі.

3. Яка маса барій хлориду (з утворенням насиченого розчину) може роз-чинитися в 0,1 л води за 20 °С, якщо коефіцієнт розчинності BaCl2 за цієї температури дорівнює 0,357 г/мл?

*4. Коефіцієнт розчинності амоній хлориду за температури 50 °С дорів-нює 0,5 г/мл. Який об’єм води необхідно витратити, щоб приготува-ти насичений розчин, що містить 100 г цієї солі?

*5. Яку масу води потрібно витратити для приготування насиченого за температури 20 °С розчину аргентум(I) нітрату, якщо використати 210 г солі? Коефіцієнт розчинності становить 2,278 г/мл.

*6. Яку масу купрум(ІІ) сульфату можна розчинити (з утворенням наси-ченого розчину) в 0,3 л води за температури 30 °С? Скористайтеся зна-ченням коефіцієнта розчинності CuSO

4 за кривою розчинності солей.

а) 50 г; в) 25 г; б) 75 г; г) 100 г. 7. Під час випарювання до сухого стану 960 г насиченого за темпера-

тури 70 °C водного розчину калій нітрату одержали 560 г сухого за-лишку. Визначте розчинність цієї солі за вказаної температури.

8. За температури 60 °C 300 г насиченого розчину містять 54,86 г без-водного купрум(II) сульфату. Яка розчинність за цієї температури купрум(II) сульфату пентагідрату?

50

§ 10. Кількісний склад розчинів: масова частка розчиненої речовини

У цьому параграфі ви:•поновитевпам’яті,щотакемасовачасткарозчиненоїречовини;•удосконалитевмінняобчислюватимасовучасткурозчиненоїречовини;•навчитесяобчислюватимасикомпонентівдляприготуваннярозчинузада-ногоскладу.

Масова частка розчиненої речовини. Склад будь-якого розчину можна виразити як якісно, так і кількісно. Як правило, у разі якісної оцінки застосовують такі поняття, як концентрований та розведений розчини. Розчин з відносно високим вмістом розчине-ної речовини називають концентрованим, а з відносно низьким вмістом розчинної речовини — розведеним.

Така якісна оцінка досить умовна, оскільки для розчинів різних речовин ці поняття мають обмеження. Наприклад, для сульфатної кислоти концентрованим вважають розчин, який містить 98 % H

2SO

4, а для хлоридної (соляної) кислоти — такий, що містить

38 % НСl.Існують декілька способів точного вираження кількісного

складу, тобто концентрації розчинів: масова частка, молярна концентрація, молярна концентрація еквівалента розчиненої речовини.

Масова частка розчиненої речовини — це відношення маси розчиненої речовини до загальної маси розчину:

wm

m(р�ни)

(р�ни)

(р�ну)= ,

де w(р-ни) — масова частка розчиненої речовини, яку виражено в частках одиниці;

m(р-ни) — маса розчиненої речовини, г; m(р-ну) — маса розчину, г.

Масову частку, яку виражають у відсотках, або кількість роз-чиненої речовини в 100 г розчину, називають відсотковою концентрацією:

wm

m(р�ни)

(р�ни)

(р�ну)= æ100 %

Наприклад, масова частка розчиненої речовини натрій хлориду у воді становить 0,05 або 5 %. Це означає, що в 100 г розчину на-трій хлориду міститься 5 г солі та 95 г води.

51

Оскільки розчин складається з розчиненої речовини та розчин-ника, то масу розчину визначають за формулою

m(р-ну) = m(р-ка) + m(р-ни)Не слід плутати розчинність і масову частку розчиненої речовини.

Розчинність показує, скільки речовини максимально може розчи-нитися в 100 г води за певної температури, а масова частка розчи-неної речовини — скільки її міститься в 100 г розчину. Наприклад, за температури 20 °С розчинність натрій хлориду становить 35,86 г, а масова частка натрій хлориду в цьому розчині — 26,3 %.

Приклад розв’язування задачОбчисленнямасовоїчасткирозчиненоїречовини

Приклад 1. Яка масова частка (%) розчиненої речови-ни в розчині, одержаному розчиненням кальцій нітрату масою 45 г у воді масою 135 г?

Дано:m(Ca(NO

3)2) = 45 г

m(H2O) = 135 г

Розв’язання1. Визначаємо масу розчину:

m(Ca(NO3)2) + m(H

2O) = 45 + 135 = 180 г.

2. Обчислюємо масову частку кальцій нітрату в розчині:

w(Ca(NO3)2) — ?

wm

m( ) % % %.

(

(Ca(NO )

Ca(NO ) )3 2

3 2 100 100 2545

180= = =

р�ну)

г

гæ æ

Відповідь: 25 %.

Зверніть увагу!1. Якщо з розчину видалити деяку кількість води (наприклад,

випаровуванням) або, навпаки, до розчину додати воду, то змі-ниться тільки маса чи об’єм розчину, а маса розчиненої речовини в ньому залишиться незмінною (приклад 2).

2. Якщо до розчину додати речовину або з розчину видалити частину розчиненої речовини у вигляді осаду (під час охолоджу-вання), то зміниться як маса розчину, так і маса розчиненої речо-вини в ньому (приклад 3).

Приклад 2. Яку масу води треба додати до 200 г розчину HNO3

з w(HNO3) = 80 %, щоб одержати розчин з w(HNO

3) = 25 %?

Дано:w

1(HNO

3) = 80 %

m(р-ну) = 200 гw

2(HNO

3) = 25 %

Розв’язання1-й спосіб1. Обчислюємо масу HNO

3 у розчині:

wm

m( ) ;

(

(р�ну)HNO

HNO )3

3 100= æ %m(H

2O) — ?

52

mw m

( ) .( ( )

%

%

%HNO

HNO )3

3

100

80 200

100160= = =

æ æр�ну гг

2. Розраховуємо масу розчину з w(HNO3) = 25 %:

mm

w( % .

(

( )

%

%р�ну) г

г= = =

HNO )

HNO3

3

100 640160 100

25æ

æ

3. Визначаємо масу води, яку необхідно додати до вихідного розчину:

m(H2O) = m(р-ну)

2 – m(р-ну)

1 = 640 г – 200 г = 440 г.

2-й спосіб

1. Розраховуємо, у скільки разів потрібно розвести вихідний розчин, щоб отримати шуканий:

w

w1 3

2 3

80

253 2

( )

( )

%

%,

HNO

HNO= = раза.

2. Визначаємо масу шуканого розчину:m m( ) ( ) , , .р�ну р�ну г г2 1 3 2 200 3 2 640= = =æ æ

3. Обчислюємо масу води, яку треба додати до вихідного роз-чину:

m(H2O) = 640 г – 200 г = 440 г, або 440 мл.

Відповідь: 440 мл.

Приклад 3. Якою є масова частка (%) барій нітрату в розчи-ні, одержаному змішуванням 80 г 15 %-вого розчину та 240 г 35 %-вого розчину барій нітрату?

Дано:w

1(Ba(NO

3)2) = 15 %

w2(Ba(NO

3)2) = 35 %

m1(р-ну) = 80 г

m2(р-ну) = 240 г

Розв’язання1. Визначаємо m

1(Ba(NO

3)2):

15 1001

1

% %;(

( )= ⋅

m

m

Ba(NO ) )3 2

р-ну

m1 3 2

15 80

10012( ) ) .

%

%Ba(NO = =

æ ггw

3(Ba(NO

3)2) — ?

2. Обчислюємо m2(Ba(NO

3)2):

35 1002

2

% %;(

( )= ⋅

m

m

Ba(NO ) )3 2

р-ну

m Ba NO2 3 2

35 240

10084( ( ) ) .

%

%= =

æ гг

53

3. Визначаємо m3(р-ну):

m1(р-ну) + m

2(р-ну) = 80 г + 240 г = 320 г.

4. Обчислюємо m3(Ba(NO

3)2):

m1(Ba(NO

3)2) + m

2(Ba(NO

3)2) = 12 г + 84 г = 96 г.

5. Розраховуємо w3(Ba(NO

3)2):

wm

m3 3

3 3

3

100 100 3096

320( ) % % %.

(

(Ba(NO )2

2Ba(NO ) )= = =

р�ну)

г

гæ æ

Відповідь: 30 %.

Визначеннямасречовинитаводи, потрібнихдляприготуваннязаданоїмасирозчину

певногоскладуПриклад 4. Обчисліть маси сухого натрій нітрату та води для

приготування 300 г розчину з масовою часткою 10 %.

Дано:m(р-ну) = 300 гw(р-ну) = 10 %

Розв’язання1. Позначимо масу сухого натрій нітрату х, тоді маса води m(H

2O) дорівнюватиме різниці між

масою розчину та масою сухої солі NaNO3:

m(H2O) = (300 – х) г.

2. Скористаємося формулою

m(H2O) — ?

m(NaNO3) — ?

wm

m( ) %;

(

( )NaNO

NaNO )3

3 100=р�ну

æ

10 100300

% %.=x г

гæ

Отже, х = 30 г, тобто m(NaNO3) = 30 г, тоді

m(H2O) = 300 г – 30 г = 270 г.

Відповідь: 30 г NaNO3; 270 г Н

2О.

Основні поняття. Концентрований розчин. Розведений розчин. Масова частка розчиненої речовини. Відсоткова концентрація.

Запитання та завдання °1. Що таке масова частка розчинної речовини? відсоткова кон-

центрація? °2. Чим насичений розчин відрізняється від концентрованого? °3. За якими формулами визначають масову частку розчиненої речовини

у розчині? 4. Визначте масову частку речовини в розчині, який одержали в ре-

зультаті розчинення 20 г речовини в 380 г води.

54

5. Сіль масою 50 г розчинили в 350 г дистильованої води. Якою є масо-ва частка солі в утвореному розчині?

6. Обчисліть масову частку солі в розчині, що містить 0,2 моль аргентум(I) нітрату в 136 мл води.

*7. Розчин масою 200 г з масовою часткою розчиненої речовини 20 % випарили. Який об’єм води при цьому одержали?

*8. Змішали 250 г розчину з масовою часткою речовини 25 % та 400 г розчину з масовою часткою тієї самої речовини 10 %. Розчин з якою масовою часткою речовини утворився?

9. Яку масу натрій сульфату необхідно розчинити у воді, щоб одержати 150 г розчину з масовою часткою солі 20 %?

*10. Яку масу розчину з масовою часткою кальцій хлориду 1,51 % потріб-но змішати з 80 г розчину з масовою часткою цієї речовини 20 %, щоб одержати розчин з масовою часткою солі 12 %?

*11. Яку масу води треба додати до 315 г розчину купрум(ІІ) сульфату з w(CuSO

4) = 30 %, щоб одержати розчин з w(CuSO

4) = 20 %?

12. Фізіологічний розчин, який використовують у медицині, — це 0,9 %-вий розчин натрій хлориду. Скільки грамів води потрібно додати до 100 г 12 %-вого розчину натрій хлориду, щоб отримати фізіо логічний розчин?

*13. Воду наситили на холоді вуглекислим газом, а потім нагріли. Як зміниться концентрація газу в розчині? Чи змінюватиметься кон-центрація цієї речовини в розчині під час нагрівання до температури кипіння, якщо замість вуглекислого газу взяти калій нітрат?

§ 11. Кількісний склад розчинів: молярна концентрація розчиненої речовини

У цьому параграфі ви:•дізнаєтеся, щотакемолярнаконцентраціярозчину;•навчитесяобчислюватимолярнуконцентраціюрозчину.

До кількісних способів вираження концентрації розчинів від-носять і молярну концентрацію.

Молярна концентрація розчиненої речовини, або моляр­ність, — це відношення кількості розчиненої речовини до об’єму розчину:

CV

=ν( )

( ),

р�ни

р�ну

де С — молярна концентрація розчину, моль/л;ν — кількість речовини в розчині, моль;V — об’єм розчину, л.Якщо відома кількість розчиненої речовини в тому чи іншому

об’ємі розчину, можна визначити її молярну концентрацію.

55

ОбчисленнямолярноїконцентраціїрозчиненоїречовиниМолярну концентрацію іноді позначають буквою M, наприклад:

С(KCl) = 2M. Таке позначення вказує на те, що в 1 л розчину міс-титься 2 моль KCl.

Приклади розв’язування задачПриклад 1. У розчині об’ємом 400 мл розчинено каль-

цій хлорид масою 88,8 г. Обчисліть молярну концентра-цію солі в розчині.

Дано:V(р-ну) = 400 млm(CaCl

2) = 88,8 г

Розв’язання1. Визначаємо кількість речовини CaCl

2

у розчині:

ν( ) ,(

(

,.CaCl

CaCl )

CaCl ) /2

2

2

88 8

1110 8= = =

m

M

г

г мольмольС(CaCl

2) — ?

2. Обчислюємо молярну концентрацію солі:

CV

( )(

(

,

,.CaCl /

CaCl )

)2

2 0 8

0 42= = =

ν

р�ну

моль

лмоль л

Відповідь: 2 моль/л.

Приклад 2. Якою є молярна концентрація нітратної кислоти в розчині, якщо в 0,2 л розчину міститься 12,6 г кислоти?

Дано:V(р-ну)(HNO

3) = 0,2 л

m(HNO3) = 12,6 г

Розв’язання1. Визначаємо кількість речовини ніт-рат ної кис лоти в роз чині:

ν( ) , .(

(

,HNO3

3

3

HNO )

HNO ) /= = =

m

M

12 6

630 2

г

г мольмольC(HNO

3) — ?

2. Обчислюємо молярну концентрацію кислоти:

CV

( ) .(

(

,

,HNO /3

3HNO )

)= = =ν

р�ну

моль

лмоль л

0 2

0 21

Відповідь: 1 моль/л.

Приклад 3. Якою є молярна концентрація хлоридної кислоти в розчині об’ємом 200 мл, якщо в результаті взаємодії його з маг-нієм виділяється 6,72 л водню (н. у.)?

Дано:V(р-ну) = 200 млV(H

2) = 6,72 л

Розв’язання1. Обчислюємо кількість речовини хлоридної кислоти:

2HCl Mg MgCl H22

222 4

6 72

моль

моль

л

лx

+ = +,

,

;

С(HCl) — ?

56

x = =2 6 72

22 40 6

моль л

лмоль

æ ,

,, .

2. Визначаємо молярну концентрацію кислоти:

CV

( )( )

( )

,

,HCl

HCl

р�ну

моль

л= = =ν 0 6

0 23 моль/л.

Відповідь: 3 моль/л.

Приклад 4. Якою є молярна концентрація лугу в розчині, якщо в результаті розчинення KOH масою 168 г утворився розчин об’ємом 2,4 л?

Дано: m(KOH) = 168 г V(р-ну) = 2,4 л

Розв’язання1. Визначаємо кількість речовини KOH:

ν( ) .(

(KOH моль

KOH)

KOH)

г

г/моль= = =

m

M

168

563

2. Обчислюємо молярну концентрацію KOH:

CV

( )(

, .(

,KOH моль/л

KOH)

р�ну

моль

л= = =ν

)

3

2 41 25

Відповідь: 1,25 моль/л.

С(KOH) — ?

Приклад 5. Яку масу CuSO4 треба взяти, щоб приготувати 400 мл

розчину молярною концентрацією цієї солі 0,4 моль/л?

Дано: V(р-ну) = 400 мл С(CuSO

4) = 0,4 моль/л

Розв’язання1. Визначаємо число молів CuSO

4:

CV

( )(

;(

CuSOCuSO )

р�ну4

4=ν

) ν( ) ( ) (CuSO CuSO4 4= =C Væ р�ну)

= =0 4 0 4 0 16, , , .моль л л моль/ æ

m(CuSO4) — ?

2. Обчислюємо масу CuSO4:

ν( ) ;(

(CuSO

CuSO )

CuSO )4

4

4

=m

M m M( ) ( ) ( ) , , .CuSO CuSO CuSO моль г/моль г4 4 4 0 16 160 25 6= = =⋅ ⋅ν

Відповідь: 25,6 г.

Основні поняття. Молярна концентрація.

Запитання та завдання °1. Що таке молярна концентрація речовини в розчині? У яких

одиницях її вимірюють?

57

2. Обчисліть об’єм розчину калій нітрату молярною концентрацією 2,5 моль/л, що містить 50,5 г цієї солі.

3. Розчин об’ємом 3 л містить 222 г магній нітрату. Яка молярна кон-центрація солі у цьому розчині?

а) 1,4 моль/л; в) 0,5 моль/л; б) 1,1 моль/л; г) 0,9 моль/л. 4. Обчисліть молярну концентрацію натрій йодиду, якщо 0,4 моль його

містяться в 200 мл розчину. 5. Яка маса нітратної кислоти міститься в розчині об’ємом 150 мл і мо-

лярною концентрацією 6 моль/л? *6. Обчисліть молярну концентрацію калій гідроксиду, у 750 мл розчи-

ну якого міститься 84 г цього лугу. *7. Визначте молярну концентрацію розчину натрій хлориду в розчині,

1,5 л якого прореагувало з аргентум(I) нітратом з утворенням 429 г осаду.

*8. Визначте молярну концентрацію натрій карбонату в розчині, 200 мл якого можуть повністю прореагувати з хлоридною кислотою з утво-ренням карбон(IV) оксиду об’ємом 8,5 л (н. у.).

*9. Якою є молярна концентрація нітратної кислоти в розчині об’ємом 281 мл, що спроможна нейтралізувати купрум(ІІ) гідроксид масою 107 г?

§ 12. Поняття про еквівалент та молярну концентрацію еквівалента. Обчислення молярної концентрації еквівалента

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакееквівалент;•яквизначитимолярнуконцентраціюеквівалента.

Відповідно до закону сталості складу речовини взаємодіють між собою в суворо визначених кількісних або рівноцінних (еквіва-лентних) співвідношеннях. Для характеристики величини мас ре-човин, що сполучаються одна з одною без залишку, було введено поняття «еквівалент».

Еквівалент — реальна або умовна частинка речовини, яка в хімічних реакціях рівноцінна за хімічною дією одному йону Гідрогену або групі ОН–, а в окисно-відновних реакціях — одно-му відданому чи прийнятому електрону.

Число, обернене до числа йонів Гідрогену (основності кис-лоти) або гідроксильних груп (кислотності основи), що беруть участь у кислотно-основних реакціях, або до числа відданих чи прийнятих електронів в окисно-відновних реакціях, називають фактором еквівалентності. Його позначають f

екв(Х).

58

Це безрозмірна величина, яка менша або дорівнює одиниці. Формули для обчислення фактора еквівалентності елемента, про-стої речовини, неорганічних речовин основних класів, а також окисника та відновника наведено в таблиці 3.

Таблиця 3 Розрахунок фактора еквівалентності

Частинка Фактор еквівалентності Приклади

Елементиf E

B Eекв ( ) ,

( )=

1

де B(E) — валентність елемента

fекв ( )Mn у Mn O2

7

7

1

7

+

=

Прості речовини f

n E B Eекв =

1

( ) ( ),

æде n(E) — число атомів у речовині; B(E) — число зв’язків між атомами в молекулі простої речовини

fекв ( ) ,H2

1

2 1

1

2= =æ

H—H

fекв ( ) ,O2

1

2 2

1

4= =æ

——O O

fекв ( ) ,N2

1

2 3

1

6= =æ

NN———

Оксидиf

n E B Eекв =

1

( ) ( ),

æде n(E) — число атомів елемента в оксиді; B(E) — валентність (ступінь окиснення) елемента

fекв (Mn O2

7

7

1

2 7

1

14

+

= =⋅

)

Основиf

nекв = −

1

( ),

OHде n(OH–) — число гідроксид-іонів, що беруть участь у реакціях (кислотність основи)

fекв ( ) ) ;Ca(OH 2

1

2=

Ca(OH HCl CaCl H O)2 2 22 2+ = +

Кислотиf

nекв = +

1

( ),

Hде n(H+) — число йонів Гідрогену, що вступили в реакцію (основність кислоти)

H SO KOH K SO H O;2 4 2 4 22 2+ = +

fекв =1

2

59

Закінчення табл. 3

Частинка Фактор еквівалентності Приклади

Соліf

n Me B Meекв = =

1

( ) ( )æ

=1

n A B A( ) ( ),

æде n(Me) — число йонів металічного елемента (індекс у хімічній формулі солі); B(Me) — ступінь окиснення металічного елемента; n(A) — число кислотних залишків; B(A) — заряд аніона

fекв ( )Ca (PO )3

2

4 2

1

3 2

1

6

+

= =æ

розрахунок за числом йонів металічного елемента;

fекв ( ) )Ca (PO3 4 23 1

2 3

1

6

− = =æ

розрахунок за кислотним залишком

Частинки в окисно-відновній реакції

fn

e

екв =−

1,

де ne−

— число електронів, що беруть участь у процесі окиснення або відновлення

Cu Cu2 02+ −+ →e

fекв ( ) ;Cu2 1

2

+ =

CrO Cr H O42 3

28 3 4− + − ++ + → +H e

fекв CrO42 1

3

−( ) =

Молярна концентрація еквівалента речовини — це відношен-ня кількості речовини еквівалента до об’єму розчину V:

C fV

( ( ) )( ( ) )

еквеквX X

X X=ν f

Молярну концентрацію виражають у моль/л. Кількість речовини еквівалента обчислюють за формулою

νν

( ( ) )( )

( )f

fекв

екв

X XX

X=

і виражають у молях.Отже, для обчислення молярної концентрації еквівалента речо-

вини потрібно знати її фактор еквівалентності та молярну масу. Як визначають молярну масу еквівалента будь­якої речовини?Молярна маса еквівалента M(f

екв(X) X) речовини — це добу-

ток фактора еквівалентності і молярної маси цієї речовини:М(f

eкв(X)X) = M(X)æf

eкв(X)

Атомна маса еквівалента будь­якого елемента в сполуці до-рівнює добутку фактора еквівалентності цього елемента — вели-

60

чини, оберненої до ступеня його окиснення в сполуці, і його атом-ної маси. Так, атомні маси еквівалента йона Алюмінію та йона Оксигену в сполуці Al

2O

3 дорівнюють:

A A( ( ) ) ( ) ( )f fекв екв г моль г мольAl Al Al Al / / ;3 3 3 3 1

327 9+ + + += = =æ

A A( ( ) ) ( ) ( )f fекв екв г моль г мольO O O O / / .2 2 2 2 1

216 8− − − −= = =æ

Молярна маса еквівалента алюміній оксиду Al2O

3 дорівнює до-

бутку фактора еквівалентності цього оксиду (величини, оберненої до добутку числа йонів Алюмінію на заряд його йона) та його формульної маси:

M M( ( ) ) ( ) ( )f fекв екв г/мAl O Al O Al O Al O2 3 2 3 2

3

3 2 3

1

2

1

3102 17= = =

+

æ æ æ ооль.

Молярна маса еквівалента кислоти — добуток фактора екві-валентності цієї кислоти (величини, оберненої до числа катіонів Гідрогену) і її молярної маси:

M M( ( ) ) ( ) ( )f fекв еквH SO H SO H SO H SO2 4 2 4 2 4 2 4= =æ

= =1

298 49æ г моль г моль/ / .

Молярна маса еквівалента основи — добуток фактора еквіва-лентності цієї основи (величини, оберненої до числа гідроксигруп) і її формульної маси:

M f M( [( ] ( ) ( )fекв еквAl (OH) Al (OH) ) Al (OH) Al (OH)3 3 3 3= =æ

= =1

378 26æ г моль г моль/ / .

Молярна маса еквівалента солі — добуток фактора еквіва-лентності цієї солі (величини, оберненої до добутку числа катіонів або аніонів на їхній заряд) та її формульної маси:

M M( [( ] ( ) (f fекв екв CaCa (PO ) Ca (PO ) ) (PO ) Ca (PO )3 4 2 3 4 2

2

3 4 2 3 4 2=+

æ )) =

= =1

2 3310 51 7

ææ г моль г моль/ / .,

Таким чином, наприклад, якщо ортофосфатна кислота масою 19,6 г міститься в розчині об’ємом 3 л, то її молярна концентрація еквівалента дорівнює:

C ff

m

M V( ) )

)

( )

( ) ( )екв

екв р-ну(H PO H PO

(

H PO

H PO H PO3 4 3 4

3 4

3 4 3 4

= =æ

=

( )=

19 6

1

33

0 2,

, .г

г моль л

моль лæ æ98 /

/

61

Обчисленнямолярноїконцентрації еквівалентарозчиненоїречовини

Приклади розв’язування задач

Приклад 1. Обчисліть молярну концентрацію еквіва-лента сульфатної кислоти, 600 мл розчину якої містять 235,2 г сульфатної кислоти.

Дано:V(р-ну) = 600 млm(H

2SO

4) = 235,2 г

Розв’язанняМолярну концентрацію еквівалента H

2SO

4 визначаємо за формулою

C f( ( ) )екв H SO H SO2 4 2 4 =

=m

M f V

(

( ( ) ) (.

H SO )

H SO H SO )2 4

2 4 2 4екв р-нуæ

C(fекв

(Н2SO

4)H

2SO

4) — ?

1. Визначаємо молярну масу еквівалента сульфатної кислоти:

M fM

( ( ) )(

екв H SO H SOH SO ) /

2 4 2 42 4 98

= =число йонів Гідрогену

г моль

2249= г моль/ .

2. Обчислюємо молярну концентрацією еквівалента розчину суль-фатної кислоти, підставляючи дані у наведену вище формулу:

C f( ) ) /,

/ ,екв

г

г моль лмоль л.(H SO H SO2 4 2 4 = =

⋅

235 2

49 0 68

Відповідь: 8 моль/л.

Приклад 2. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента калій гідроксиду, 800 мл розчину якого містять 280 г калій гідроксиду.

Дано:V(р-ну) = 800 млm(KOH) = 280 г

Розв’язання1. Визначаємо молярну масу еквівалента калій гідроксиду:

M fM

( ( ) )(

еквчисло гідроксигруп

KOH KOHKOH)

= =

= =56

156

г мольг моль

// .

C(fекв

(KOH)KOH) — ?

2. Обчислюємо молярну концентрацією еквівалента розчину калій гідроксиду:

C fm

M f V( ( ) )

(

( ( (екв

екв р-нуKOH KOH

KOH)

KOH)KOH) )= =

æ

62

= =280

56 0 86 25

г

г моль лмоль л

//

æ ,, .

Відповідь: 6,25 моль/л.

Приклад 3. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента натрій ортофосфату, 3,075 л розчину якого повністю осаджують 249,75 г кальцій хлориду з його розчину.

Дано:V(р-ну) = 3,075 лm(СaСl

2) = 249,75 г

Розв’язання1. Визначаємо масу натрій ортофос-фату:

2Na PO 3CaCl Ca (PO ) NaCl;3 42 164

23 111

249 75

3 4 2 6æ æг г

гx

+ = ↓ +,

C(fекв

(Na3PO

4)Na

3PO

4) — ?

x = =2 164 249 75

3 111246

æ æ

æ

,г.

2. Визначаємо молярну масу еквівалента натрій ортофосфату:

M fM

( ) ) , .(

екв

г мольг моль(Na PO Na PO /

Na PO ) /4

3 4 3 43

1 3

164

354 7= = =

æ

3. Визначаємо молярну концентрацію еквівалента натрій орто-фосфату:

C fm

M f V( ( ) )

(

( ( ) (екв

екв р�нNa PO Na PO

Na PO )

Na PO ) Na PO3 4 3 4

3 4

3 4 3 4

=æ уу)

=

= =246

54 7 3 0751 46

г

г моль лмоль л

, ,, .

//

æ

Відповідь: 1,46 моль/л.

Приклад 4. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента хло-ридної кислоти, якщо 200 мл її розчину повністю нейтралізують розчин, що містить 8 г натрій гідроксиду.

Дано:V(р-ну) = 200 млm(NaOH) = 8 г

Розв’язання1. Визначаємо масу HCl, яка прореагувала з 8 г NaOH:

HCl NaOH NaCl H O;x г

г

г

г36 5

8

402

,

+ → +

x = =36 5 8

407 3

,,

г г

гг

æ.

C(fекв

(НCl)HCl) — ?

63

2. Обчислюємо молярну концентрацію еквівалента хлоридної кислоти за формулою

C fm

M f V( ( ) )

(

( ( ) (.екв

екв р-нуHCl HCl

HCl)

HCl)HCl )=

æ

Для цього визначаємо молярну масу еквівалента кислоти:

M fM

( ( ) )( ,

еквчисло йонів Гідрогену

г мольHCl HCl

HCl) /= ==

36 5

136,,5 г моль/ ,

тоді

C f( ( ) ) .,

, ,екв

г

г моль лмоль лHCl HCl /

/= =

7 3

36 5 0 21

æВідповідь: 1 моль/л.

Приклад 5. Яка маса ортофосфатної кислоти необхідна для при-готування 720 мл розчину з молярною концентрацією еквівалента кислоти 0,5 моль/л?

Дано:V(р-ну) = 720 млС(f

екв(H

3PO

4)H

3PO

4) =

= 0,5 моль/л

Розв’язанняЗапишемо вираз для обчислення молярної концентрації кислоти:

CV

(( )

(fекв

р�ну)(H PO ) H PO )

H PO3 4 3 4

3 4= =ν

=m

M V

(

( (;

H PO )

(H PO ) H PO )3 4

3 4 3 4fекв р�ну)æ

m(H3PO

4) — ?

звідки шукана маса кислоти дорівнює:

m C M V(H PO ) H PO H PO3 4 3 4 3 4

1

3

1

3=

=æ æ (р�ну)

= =0 5 98 0 72 11 761

3, , , .моль/л г/моль л гæ æ æ

Відповідь: 11,76 г.

Приклад 6. До розчину алюміній сульфату об’ємом 500 мл до-лили розведений розчин натрій гідроксиду, у результаті чого утво-рився осад масою 6,84 г. Обчисліть молярну концентрацію еквіва-лента алюміній сульфату в розчині.

Дано: V(р-ну) = 500 млm(осаду) = 6,84 г

Розв’язання1. Складаємо рівняння хімічної реакції, підставляємо дані; обчис-люємо масу алюміній сульфату, скориставшись пропорцією:

C(fекв

(Al2(SO

4)3)Al

2(SO

4)3) — ?

64

Al SO NaOH ( .) 2Al(OH) Na SO ;2 4 3( ),

3423

2 78

6 84

2 46 3г

г

г

г

розвx

+ = ↓ +æ

x = 15 г.2. Визначаємо молярну концентрацію еквівалента солі в розчині:

Cm

M( ( ) ( )

( ( ) )

( ( )f

fекв

екв

(Al SO ) Al SO )2 4 3 2 4 32 4 3

2 4 3

Al SO

(Al SO ) A=

ll SO )2 4 3( ) (æV р�ну)=

= =15

1

6342 0 5

0 526г

г/моль л

моль/лæ æ ,

, .

Відповідь: 0,526 моль/л.

Основні поняття. Еквівалент. Фактор еквівалентності. Моляр-на маса еквівалента речовини. Молярна концентрація еквівалента речовини.

Запитання та завдання 1. Обчисліть молярну концентрацію ортофосфатної кислоти,

500 мл розчину якої містять 28 г ортофосфатної кислоти. 2. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента натрій гідро-

ксиду, розчин якого об’ємом 200 мл містить 16 г цього лугу. *3. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента натрій хлориду, якщо

400 мл його розчину повністю взаємодіють з розчином, що містить 34 г аргентум(I) нітрату.

*4. У розчині об’ємом 250 мл міститься магній сульфат, який повністю прореагував з натрій гідроксидом масою 10 г. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента магній сульфату в розчині.

*5. Обчисліть молярну концентрацію еквівалента сульфатної кислоти, у результаті взаємодії 0,5 л розчину якої з алюмінієм виділяється 33,6 л (н. у.) водню.

§ 13. Густина розчину. Залежність між густиною розчину та його складом

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакегустинарозчинутаяквоназалежитьвідйогоконцентрації.

Густина — це фізична величина, яку визначають для однорід-ної суміші як відношення її маси до одиниці об’єму.

Густину розчину виражають у г/мл.

ρ(р�ну)р�ну)

р�ну)=

m

V

(

(

65

Під час розчинення у воді будь-яких речовин густина утворено-го розчину відрізняється від густини води — вона або зменшуєть-ся, або збільшується. Наприклад, у разі розчинення у воді спирту густина розчину зі збільшенням його масової частки зменшується навіть до 0,79 г/мл, тобто до густини безводного спирту, а зі збіль-шенням вмісту сульфатної кислоти в розчині його густина зростає до 1,84 г/мл — густини безводної сульфатної кислоти (табл. 4). Залежність між густиною розчину та концентрацією тієї чи іншої речовини можна знайти в довідковій літературі.

Таблиця 4Залежність між масовою часткою

розчиненої сульфатної кислоти й густиною розчину

w, % 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ρ, г/мл 1,066 1,139 1,218 1,303 1,305 1,498 1,611 1,727 1,813

Для визначення густини розчинів користуються ареометрами (рис. 18). Значення густини отриманого розчину звіряють з таб-личними даними.

Принцип дії ареометра ґрунтується на витискуванні рідиною твердого тіла певної маси (за законом Архімеда). Ареометр являє собою скляний поплавок з вантажем у ниж-ній частині та поділками шкали у верхній (вузькій) частині. Густину оцінюють за по-ділкою, яка відповідає рівню рідини.

Демонстраційний дослідПриготування розчину солі певного складуПриготуємо 300 г розчину натрій нітрату з ма-совою часткою 10  %. Спочатку обчислюютькількістьпотрібноїсолітаводи(приклад4у§10).Далі зважують обчислену масу солі на техно-хімічнихтерезах(нагодинниковомусклі).Відмі-ряютьнеобхіднийоб’єм,тобтомасу,водимірнимциліндром. Переносять сіль у стакан ємністю500 мл. Потім обмивають туди ж годинниковескловодоюзмірногоциліндратапереливаютьу стакан залишки води. Розмішують розчинскляноюпаличкоютазновупереливаютьу мір-нийциліндр.Занурюютьуньогоареометрі вимі-рюютьгустинуприготованогорозчину:вонамаєдорівнювати1,067г/мл.

á

â

a

1,7

1,8

1,9

Рис. 18. Визначення густини розчину за допомогою ареомет ра: а — ареометр у воді; б — ареометр у розчи-ні сульфатної кисло-ти; в — положення

ока спостерігача

66

Обчислення,пов’язанізвиявленнямзалежності міжгустиноюрозчинуімасовоючасткою

абомолярноюконцентрацієюрозчиненоїречовини

Приклади розв’язування задач

Приклад 1. Обчисліть молярну концентрацію калій йодиду в розчині, масова частка KI у якому становить 40 %, а густина — 1,395 г/мл.

Дано:w(KI) = 40 %ρ(р-ну) = 1,395 г/мл

Розв’язанняМолярну концентрацію KI обчис люємо за формулою

CV

( )(

(.KI

KI)

)=

ν

р�нуC(KI) — ?

За величину об’єму розчину приймаємо 100 мл, тобто 0,1 л.1. Визначаємо масу розчину калій йодиду:

m V( ) ( ) ( ) , ,р�ну р�ну р�ну г мл мл г= = =ρ æ æ1 395 100 139 5/ .

2. Розраховуємо масу розчиненого калій йодиду:m(KI) = w(KI) ∙ m(р-ну) = 0,4 ∙ 139,5 г = 55,8 г.

3. Обчислюємо кількість речовини калій йодиду:

ν( ) ,( )

( )

,KI

KI

KI /.= = =

m

M

55 8

1660 336

г

г мольмоль

4. Визначаємо молярну концентрацію розчину KI:

CV

( ) ,( )

( )

,

,KI /

KI.= = =

ν

р�ну

моль

лмоль л

0 336

0 13 36

Відповідь: 3,36 моль/л.

Приклад 2. Обчисліть масову частку натрій гідроксиду в роз-чині, в якому молярна концентрація лугу дорівнює 5,5 моль/л, а густина — 1,2 г/мл.

Дано:C(NaOH) = 5,5 моль/лρ(р-ну) = 1,2 г/мл

Розв’язання1. Визначаємо масу розчину, виходя-чи з того, що 5,5 моль лугу містяться в 1 л, тобто в 1000 мл:m(р-ну) = 1000 мл ∙ 1,2 г/мл = 1200 г.

w(NaOH) — ?

2. Визначаємо масу NaOH, що міститься в 1 л, тобто в 1200 г розчину:

m(NaOH) = ν(NaOH) ∙ M(NaOH) =5,5 моль ∙ 40 г/моль = 220 г.

67

3. Обчислюємо масову частку NaOH у розчині:у 1200 г розчину міститься 220 г NaOH, а в 100 г розчину міститься x г NaOH, тоді

x = =100 220

120018 33

г г

гг

æ, , або 18,33 %.

Відповідь: 18,33 %.

Приклад 3. Якою є молярна концентрація нітратної кислоти в розчині, густина якого 1,31 г/мл, а масова частка 40 %?

Дано: w(HNO

3) = 40 %

ρ(р-ну) = 1,31 г/мл

Розв’язанняОскільки масова частка HNO

3 дорівнює

40 %, то в 100 г розчину міститься 40 г кислоти. Далі обчислюємо з урахуванням густини цього розчину.

С(HNO3) — ?

1. Визначаємо об’єм розчину:

Vm

((

) ,р�ну)

р�ну)

р�ну

г

г мл= =ρ(

100

1 31 /

або V = =100

13100 07633

г

г л.л

/,

2. Обчислюємо кількість речовини кислоти:

ν = = =m

M

(

( ),

HNO )

HNO /3

3

40

630 635

г

г мольмоль.

3. Складаємо пропорцію:у розчині об’ємом 0,07633 л міститься 0,635 моль HNO

3,

а в 1 л розчину міститься х моль HNO3.

Звідси

x = =1 0 635

0 076338 32

л моль

лмоль

æ ,

,, .

Отже, в 1 л розчину розчинено 8,32 моль HNO3, а це означає, що

молярна концентрація кислоти становить 8,32 моль/л.Відповідь: 8,32 моль/л.

Основні поняття. Густина розчину. Ареометр.

Запитання та завдання °1. Як розчинена речовина може впливати на густину розчину? °2. За допомогою якого приладу можна виміряти густину роз-

чину? На чому ґрунтується принцип його дії? 3. Як можна приготувати розчин із заданою масовою часткою розчине-

ної речовини? Поясніть на прикладі.

68

4. Обчисліть молярну концентрацію сульфатної кислоти в розчині з густиною 1,60 г/мл і масовою часткою кислоти 69,1 %.

5. Обчисліть молярну концентрацію хлоридної кислоти в розчині, масо-ва частка HCl у якому становить 20 %, а густина — 1,1 г/мл.

6. Обчисліть масову частку калій гідроксиду в розчині, де молярна кон-центрація лугу дорівнює 10 моль/л, а густина розчину — 1,4 г/мл.

7. Обчисліть масову частку ферум(ІІІ) хлориду в розчині, де його моляр-на концентрація дорівнює 3,5 моль/л, а густина розчину — 1,417 г/л.

8. Обчисліть молярну концентрацію аргентум(I) нітрату в розчині, у яко-му масова частка солі становить 50 %, а густина розчину — 1,668 г/мл.

9. Визначте молярну концентрацію кислоти в розчині, у якому масова частка нітратної кислоти 30 %, а густина — 1,18 г/мл.

а) 5,9 моль/л; в) 6,4 моль/л; б) 4,8 моль/л; г) 5,6 моль/л.

§ 14. Розв’язування задач на приготування розчинів із кристалогідратів

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:· якірозрахункитребавиконати,щобприготуватирозчинізкристалогідрату;· якурахувативмісткристалізаційноїводи,визначаючимасурозчинника—води.

Нагадаємо, що кристалогідрати — це кристалічні речовини, які містять молекули води. Отже, готуючи розчини з кристалогідра-тів, треба враховувати кристалізаційну воду, що входить до їхньо-го складу. Розглянемо, як визначити в такому разі масу солі та масу води, потрібні для приготування розчину.

Приклади розв’язування задачПриклад 1. Яку масу кристалогідрату MgSO H O4 27æ

необхідно використати, щоб приготувати 360 г розчину з масовою часткою MgSO

4 5 %?

Дано:m(р-ну) = 360 гw(MgSO

4) = 5 %

Розв’язання1. Визначаємо масу безводної солі MgSO

4,

яка повинна міститися в розчині після розчинення кристалогідрату:

wm

m( ) %;

(

(MgSO

MgSO )

)41004=

р�нуæ

m(MgSO H O)4 27æ — ?

mw m

( ) .( ( %

%MgSO

MgSO ) )4

4

100

5 360

10018= ==

æ æр�ну гг

69

2. Обчислюємо масу MgSO H O,4 27æ яка містить 18 г магній сульфату:246 г/моль MgSO H O4 27æ містить 120 г/моль MgSO

4, а x г

міститиме 18 г, тоді

x = =246 18

12036 9

г моль г

г мольг

/

/

æ, .

Відповідь: 36,9 г MgSO H O.4 27æ

Приклад 2. Визначте масу води, необхідну для приготування розчину з масовою часткою купрум(ІІ) сульфату 4 % із купрум(ІІ) сульфату пентагідрату масою 35 г.

Дано:

m(CuSO H O) = 354æ5 2 гw(CuSO

4) = 4 %

Розв’язання1. Визначаємо масу CuSO

4, яка міститься

в 35 г CuSO H O:4æ5 2

у 250 г/моль кристалогідрату міститься 160 г/моль CuSO

4, а в 35 г кристалогідра-

ту — х г CuSO4.

E= =35 160

25022 4

г г моль

г мольг

æ /

/, .

m(H2O) — ?

2. Розраховуємо масу розчину CuSO4 з масовою часткою 4 %:

w( ) %;(

(CuSO4

4CuSO )=

m

m р-ну)æ100

mm

(р-ну) г( г 100%

= = =CuSO ) 100%

% %4 æ æ

4

22 4

4560

,.

3. Обчислюємо масу води, у якій слід розчинити кристалогідрат:m(H

2O) = m(р-ну) – m(кр-ту) =

= 560 г – 35 г = 525 г.Відповідь: 525 г води.

Приклад 3. Яку масу калій сульфіду пентагідрату K S H O2 25æ треба розчинити в 270 мл води, щоб одержати розчин з 14 % ка-лій сульфіду?

Дано:V(H

2O) = 270 мл

w(K2S) = 14 %

Розв’язанняМасу калій сульфіду в розчині обчислюємо за формулою

wm

m m( ) %.

(

[ ( ( ]K S

K S)

K S H O H O)2

2

2 2 25100=

+ææm(K S H O)2 25æ — ?

70

1. Визначимо, у скільки разів молярна маса K S H O2 25æ перевищує молярну масу K

2S:

M

m

(

( ), .

K S H O)

K S

/

/2 2

2

5 200

1101 8

æ= =

г моль

г моль

2. Позначимо m(K2S) через x, тоді m(K

2S ⋅ 5Н

2О) cтановить 1,8х.

Складемо рівняння:

0 14 1 8 270, ( , ) ;æ x x+ = 0,254x + 37,8 = x; отже, x = 50,7 г.

3. Обчислимо масу калій сульфіду пентагідрату, яка відповідає 50,7 г калій сульфіду:у 200 г, що відповідають молярній масі K S H O,2 25æ міститься 110 г

K2S, а в x г K S H O2 25æ — 50,7 г K

2S. Тоді

x = =200 50 7

11092 18

г г

г мольг

æ ,, .

/

Відповідь: 92,18 г K S H O.2 25æ

Запитання та завдання

1. Яку масу кальцій нітрату тетрагідрату Ca(NO ) H O3 2 24æ і води треба використати, щоб приготувати 240 г розчину з масовою часткою кальцій нітрату 32 %?

2. У сільському господарстві для боротьби зі шкідниками застосовують розчин барій хлориду дигідрату BaCl H O2 22æ з розрахунку 500 г на 10 мл води. Яка масова частка BaCl

2 у такому розчині?

3. Обчисліть масову частку натрій карбонату в розчині, що утворився внаслідок розчинення натрій карбонату декагідрату Na CO H O2 3 210æ масою 71,5 г у воді масою 236,5 г.

*4. Яку масу води треба витратити, щоб у результаті розчинення в ній 57,4 г кристалогідрату ZnSO H O4 27æ одержати розчин цинк сульфату з масовою часткою розчиненої речовини 20,2 %?

*5. Яку масу кристалогідрату FeCl H O3 26æ треба розчинити у воді об’ємом 166 мл, щоб одержати розчин з w(FeCl

3) = 8 %?

Тестові завдання 1. Розчин відрізняється від неоднорідної суміші:

А кольоромБ незмінністю складуВ однорідністюГ агрегатним станом

71

2. За якими характеристиками розчини подібні до хімічних сполук?А непостійність складуБ однорідністьВ збереження властивостей окремих компонентівГ нестійкість до руйнування

3. Укажіть спільні характеристики зависей та істинних розчинів:А характеризуються наявністю гідратівБ розчиненою речовиною може бути тільки твердий компонентВ можуть складатися з двох або більше компонентівГ можна розділити на окремі компоненти

4. Суспензія являє собою:А суміш твердої та рідкої речовинБ розчин твердої речовини в рідкому розчинникуВ лікарський засібГ колоїдний розчин

5. Емульсія — це:А рідкий розчинБ суміш нерозчинних одна в одній рідких речовинВ розчин яєчного білкуГ засіб для прання

6. Гідратація йонів — це:А відщеплення кристалізаційної водиБ взаємодія їх з водоюВ розчинення їх у водіГ приєднання молекул води до них

7. Які з тверджень правильні?А концентрований розчин завжди є насиченимБ розведений розчин завжди є ненасиченимВ у насиченому розчині можна розчинити ще певну кількість речо-

виниГ ненасичений розчин можна перетворити на насичений

8. У результаті підвищення температури розчинність твердих речовин у воді зазвичай:А змінюється мало Б збільшуєтьсяВ не змінюєтьсяГ зменшується

9. У результаті зниження температури розчинність газоподібних речо-вин у воді, як правило:А змінюється малоБ зменшуєтьсяВ збільшуєтьсяГ не змінюється

72

10. Колоїдний розчин відрізняється від істинного розчину:А концентрацієюБ густиноюВ розмірами частинок розчиненої речовиниГ способами приготування

11. Кристалічні речовини, що містять молекули води, називають:А гідратамиБ гідратами оксидівВ кристалогідратамиГ гідратованими

12. Ареометр — це прилад, за допомогою якого:А визначають склад повітряБ контролюють вміст шкідливих речовин у розчиніВ вимірюють густину рідинГ встановлюють напрям вітру

13. Маємо насичений розчин магній сульфату масою 400 г за темпера-тури 10 °С. Якщо розчин нагріти до 40 °С, у ньому можна додатково розчинити сіль масою:А 6 гБ 46 гВ 22 гГ 30 г

14. Установіть відповідність між математичним виразом, позначеним цифрою, та величиною, позначеною буквою:

1 CV

=ν ( )

( )

р-ни

р-ну А густина розчину

2 wm

m(р-ни)

(р-ни)

(р-ну)= Б коефіцієнт розчинності

3 ρ(р-ну)р-ну)

р-ну)=

m

V

(

( В молярна концентрація

4 ks

m=

(р-ни)

г100 H O2

Г масова частка

Ґ молярна концентрація еквівалента 15. Яку масу солі та води треба використати для приготування 200 г роз-

чину з масовою часткою солі 8 %?А 28 г солі і 172 г водиБ 24 г солі і 176 г водиВ 20 г солі і 180 г водиГ 16 г солі і 184 г води

16. Яка молярна концентрація еквівалента калій сульфіду, якщо в 200 мл розчину містяться 22 г цієї солі?А 3,2 моль/лБ 2,9 моль/лВ 2,4 моль/лГ 2,0 моль/л

73

17. Визначте молярну концентрацію солі в розчині, у якому масова част-ка алюміній хлориду — 14 %, а густина — 1,04 г/мл.А 3,4 моль/лБ 2,7 моль/лВ 2,3 моль/лГ 2,0 моль/л

18. Обчисліть кількості речовини ферум(ІІ) хлориду тетрагідрату та води, необхідні для приготування 500 г розчину з w(FeCl

2) = 9 %.

А 0,30 моль кристалогідрату і 24,17 моль H2O

Б 0,46 моль кристалогідрату і 32,64 моль H2O

В 0,35 моль кристалогідрату і 23,86 моль H2O

Г 0,41 моль кристалогідрату і 29,26 моль H2O

Найважливіше в розділі 1Дисперсною називають систему, коли в одній речовині у вигляді

досить подрібнених частинок розподілена інша речовина.Речовину, у якій розподілена інша речовина, називають диспер-

сійним середовищем, або розчинником, а ту, яка розподіляється, називають дисперсною фазою, або розчиненою речовиною. Якщо розміри дисперсної фази становлять 10–5–10–7 м, то таку диспер-сійну систему називають зависсю (суспензією чи емульсією); якщо 10–7–10–9 м — колоїдним розчином; якщо менші від 10–9 м — іс-тинним розчином.

Розчини — гомогенні (однорідні) системи перемінного складу, які містять два або більше компонентів. Розчини займають проміж-не положення між сумішами та хімічними сполуками. Схожість зі сполуками полягає в їхній однорідності, а відмінність — у непо-стійності складу та збереженні властивостей окремих компонентів.

Розчинність кількісно характеризують коефіцієнтом розчинно-сті, тобто максимальною масою речовини, яка може розчинитися в 100 г розчинника за даної температури.

Розчинення — фізико-хімічний процес. З одного боку, розчи-нення супроводжується подрібненням речовини до структурних частинок (молекул або йонів), тобто є фізичним явищем, а з друго-го — взаємодією утворених частинок з молекулами розчинника, тобто є хімічним явищем.

Вода є універсальним розчинником. Її молекула полярна, має кутову форму. На атомах Гідрогену та Оксигену виникають над-лишкові заряди — відповідно позитивний і негативний. Між протилежно зарядженими атомами Гідрогену та Оксигену різних молекул через електростатичну взаємодію виникає міжмолеку-лярний водневий зв’язок. Наявність його впливає на властивості речовин.

74

Гідрати — нестійкі сполуки змінного складу, що утворюються в результаті хімічної взаємодії молекул води з частинками роз-чиненої речовини. У разі сильної взаємодії утворюються стійкі сполуки — кристалогідрати. Це кристалічні речовини, що містять молекули води. Процес утворення гідратів називають гідратацією.

Класифікують розчини за кількістю розчиненої речовини в пор-ції розчинника.

Ненасичені розчини містять меншу кількість речовини, ніж це максимально можливо.

Насичені розчини містять максимально можливу для заданої температури кількість розчиненої речовини.

Пересичені розчини містять кількість речовини, яка перевищує їхній коефіцієнт розчинності за даної температури.

Масова частка розчиненої речовини w(р-ни) — це відношення маси розчиненої речовини m(р-ни) до маси розчину m(р-ну). Масо-ву частку речовини виражають у частках одиниці або у відсотках.

wm

m(р-ни

р-ни

р-ну) = ( )

( ) або w

m

m( ) %

( )

( )р-ни

р-ни

р-ну= æ100

Об’єм розчину V(р-ну), його маса m(р-ну) і густина ρ(р-ну) пов’язані формулою

m V( ) ( ) )р-ну р-ну р-ну= æρ(Молярна концентрація розчиненої речовини C(р-ни) — це від-

ношення кількості розчиненої речовини ν(р-ни) до об’єму розчину V(р-ну), її виражають у моль/л.

CV

((

(р-ни)

р-ни)

р-ну)=ν

або Cm

M V(

(

( (р-ни)

р-ни)

р-ни) р-ну)=

æМолярна концентрація еквівалента розчиненої речовини

C(fекв

(X)X) — це відношення кількості речовини еквівалента ν(f

екв(X)X) до об’єму розчину, її виражають у моль/л.

CV

( ( ) )( ( ) )

(f

fекв

еквX XX X

р-ну)=ν

або C fm

M V( ( ) )

( )

( ( ) ) (екв

екв

X XX

X X р-ну)=

f æДля кислот, основ і солей фактор еквівалентності f

екв(X) дорів-

нює величині, оберненій відповідно до основності, кислотності або числу елементарних зарядів йонів.

У результаті розчинення у воді будь-якої речовини густина утвореного розчину відрізняється від густини води — вона або зменшується, або збільшується.

75

Розділ 2 Електролітична дисоціація

§ 15. Електролітична дисоціація. Електроліти й неелектроліти

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якийпроцесназиваютьелектролітичноюдисоціацією;•якіречовининазиваютьелектролітами,аякі—неелектролітами;•якійониназиваютькатіонами,аякі—аніонами.

Процес розчинення деяких речовин у воді, зокрема кислот, основ і солей, може супроводжуватися їхньою взаємодією. Унаслідок цього утворюються йони — позитивно та негативно заряджені частинки.

Розклад розчиненої речовини на йони під дією молекул роз чин-ника називають електролітичною дисоціацією, або йонізацією, ре човини в розчинах.

Наприклад, розчинні у воді солі практично повністю дисоціюють на ті самі йони, з яких складаються їхні кристалічні ґратки. Це можна подати у вигляді рівняння дисоціації:

СuSO4 = Сu2+ + SO4

2−

Заряд йона записують так: спочатку число (1 не пишуть), потім — знак, читають: Сu2+ — купрум-два-плюс, SO4

2− — ес-о-чотири-два-мінус.

Однією з характерних особливостей таких розчинів солей, а та кож кислот і основ є їхня здатність проводити електричний струм. При цьому більшість твердих солей і основ у безводному стані, а також безводні кислоти мають дуже слабку електропро-відність, погано проводить електричний струм і сама вода. Оче-видно, що саме під час утворення розчинів подібні речовини за-знають змін, що обумовлюють виникнення електропровідності. Це дисоціація на йони, які і є переносниками електричного струму.

Речовини, водні розчини та розплави яких виявляють здатність проводити електричний струм, називають електролітами.

До електролітів відносять сполуки, утворені за допомогою йон-ного або ковалентного сильно полярного зв’язку, — це кислоти, основи та солі. Електролітами є також деякі розплавлені солі, оксиди й основи.

76

Позитивно заряджені йони називають катіонами, а негативно заряджені — аніонами.

Речовини, водні розчини яких не проводять електричного струму, називають неелектролітами.

До таких речовин належать, наприклад, цукор, гліцерол.

Демонстраційний дослідДослідження речовин та їхніх водних розчинів на електричну провідність Електричнупровідністьречовинтаїхніхрозчинівоцінюють,спостерігаючивідхилення стрілки амперметра й інтенсивність світіння електричноїлампочки(рис.19).

0

A1

2

3 4

Рис. 19. Установка для дослідження електропровідності розчинів: 1 — хімічний стакан ємністю 200–300 мл; 2 — електроди;

3 — амперметр; 4 — електрична лампочка

•У хімічний стакан насипають кристалічний натрій хлорид, так щобелектродибулиповністювньогозанурені.Вмикаютьприладвелектричне коло. Звертають увагу на відсутність відхилення стрілки амперметра тасвітінняелектричноїлампочки.Висипаютьзістаканакристалічнийнатрійхлорид.Старанновитираютьстаканіелектродифільтрувальнимпапірцем.•Заповнюютьстаканкристалічнимцукромтаксамо,якінатрійхлоридом. Вмикають прилад і звертають увагу на відсутність електричного струмув колі,аотже,іелектропровідностіцукру.Висипаютьзістаканакристаліч-нийцукоріготуютьустановкудляподальшихдосліджень.•Заливають у стакан дистильовану воду. Вмикають прилад в електричне коло.Лампочканезасвічується,хочанаамперметріспостерігаєтьсяслабкевідхиленнястрілки.Чому?Рівняннядисоціаціїводиможназаписатитак:

H O H + OH2+� �

•Виливаютьводуйзаливаютьрозчинцукруконцентрацією1моль/л.Вми-Виливаютьводуйзаливаютьрозчинцукруконцентрацією1моль/л.Вми-.Вми-ми-каютьприладвелектричнеколо.Електричналампочкане засвічується, і відхилення стрілки амперметра не спостерігається. Виливають розчинцукру,промиваютьстаканіелектродидистильованоюводою.•Заливають хлоридну кислоту концентрацією 1 моль/л. Спостерігаєть-Заливають хлоридну кислоту концентрацією 1 моль/л. Спостерігаєть-. Спостерігаєть-ся і відхилення стрілки амперметра, і інтенсивне світіння електричноїлампочки.

77

•Виливають хлоридну кислоту, промивають стакан і електроди дисти-льованоюводоюізаливаютьрозчиннатрійхлоридутієїсамоїконцентрації,щойHCl.Вмикаютьустановку.Спостерігаютьбільшевідхиленнястрілкиамперметратаінтенсивнішесвітіннялампочки.Зарезультатамидослідіввизначте,якіречовиниєелектролітами,а які—неелектролітами.Згіднозіспостереженнямищодо інтенсивностісвітіннялампочки та ступеня відхилення стрілки амперметра зробіть висновок,якийзелектролітівнайсильніший.

Основні поняття. Електроліти. Неелектроліти. Електролітична дисоціація. Аніон. Катіон.

З історії хімії

Сванте-Август Арреніус(1859–1927)

У 1887 р. шведський учений С.-А. Арреніус сфор-мулював основні положення теорії електролітичної дисоціації, згідно з якими:• речовини поділяють на електроліти і неелектроліти;• під час розчинення у воді електроліти дисоцію-

ють на йони;• йони, що утворилися, та молекули розчинника

перебувають у стані невпорядкованого теплового руху.

Ці положення пояснили багато незрозумілих фактів.За розробку теорії електролітичної дисоціації С.-А. Арреніусу було при-суджено Нобелівську премію з хімії.Однак у цій теорії виключалася можливість хімічної взаємодії йонів з молекулами розчинника. Через це не було пояснено причину ди-соціації електролітів і стійкості йонів у розчині. У подальшому вчені встановили, що електрохімічна дисоціація в розчинниках відбуваєть-ся в результаті фізично-хімічної взаємодії йонів (молекул) електроліту з полярними молекулами розчинника.

Для допитливихПро деякі особливості розчинів електролітівДослідження показали, що підвищення температури кипін-, що підвищення температури кипін-ня й пониження температури замерзання розведених воднихрозчинів неелектролітів відбувається пропорційно зростаннюїхньої концентрації. Однак зміна температур кипіння та замерзаннярозчинівсолей,кислотіосновєзавждибільшою,ніжцевідповідаєкон-,кислотіосновєзавждибільшою,ніжцевідповідаєкон-завждибільшою,ніжцевідповідаєкон-,ніжцевідповідаєкон-центраціїрозчину.Наприклад,температуразамерзаннярозчину,щомістить1гNaClу100 гводи, практично вдвічі перевищує температуру, обчислену теоретич-вдвічі перевищує температуру, обчислену теоретич-, обчислену теоретич-но.Такасаманевідповідністьспостерігається й відноснорозчинів іншихсолей,а такожкислоттаоснов.

78

Природно було б припустити,що причиною таких відхилень є здатністьзазначенихречовинрозпадатисяурозчинінадрібнішічастинки.А оскількитемпературакипіннязалежитьвідкількостічастинокрозчиненоїречовини,що містятьсяводиниціоб’ємурозчину,тозізбільшеннямїхньоїкількостівонатежзростає.Речовини,йониякихпроводятьелектричнийструм,назвалиелектроліта-ми.Урезультатірозчиненняуводі,атакожівдеякихіншихрозчинникахвластивостіелектролітіввиявляютьсолі,основийкислоти.

Запитання та завдання °1. Який процес називають електролітичною дисоціацією? Що

є однією з характерних особливостей цього процесу? °2. Які речовини є електролітами, а які — неелектролітами?

Чим вони відрізняються? Наведіть приклади. °3. Що таке катіони й аніони? За якою ознакою вони відрізняються між

собою? 4. За допомогою якого типу хімічного зв’язку утворюються сполуки,

що є електролітами? 5. Чи однакова електропровідність розведених і концентрованих роз-

чинів більшості електролітів? 6. Якщо взяти речовини KOH, CaSO

4, MgCl

2, AgCl, помістити їх у хіміч-

ний стакан, додати воду, розмішати, потім у кожен стакан по черзі опустити електроди приладу (рис. 19), то у яких випадках лампочка не засвітиться? Чому?

7. Напишіть формули речовин, які в результаті розчинення у воді утво-

рюють такі йони: а) Na+ і SO4

2−; б) Al3+ і Cl–; в) Mg2+ і NO3

−.

§ 16. Механізм електролітичної дисоціації речовин з йонним і полярним ковалентним зв’язком

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•учомуполягаєсутьмеханізмуелектролітичноїдисоціації;•уякомувипадкувиникаєможливістьпереходуйонаврозчинізмолекулкис-лотабоізкристалівосновісолей.

Нагадаємо, що молекули розчинника — води — є полярними. Їх зображують у вигляді диполів, тобто двох протилежно заряджених полюсів — негативного, обумовленого наявністю в молекулах води атома Оксигену, та позитивного — обумовленого наявністю в них атомів Гідрогену.

Що відбудеться, якщо кислоту, наприклад HNO3, розчинити

у воді?Щоб відповісти на це запитання, розглянемо будову молекули

нітратної кислоти. Атом Нітрогену має позитивний ступінь

79

окиснення. Його оточують три атоми Оксигену, які мають негативний ступінь окиснення. Це кислотний залишок. Електронна хмара в кислотному залишку розподілена симетрично.

Куди ж приєднується атом Гідрогену, що має позитивний ступінь окиснення?

Оскільки притягуються протилежно заряджені частинки, то атом Гідрогену може сполучитися тільки з атомом Оксигену (рис. 20).

Після того як атом Гідрогену при-єд нується до кислотного залишку, си-мет рич ність розподілу електронної гус-тини порушується. Гідроген, як най менш електронегативний (ЕН = 2,1), набуває деякого позитивного заряду (d+), а решта сполуки — надлишково-го негативного заряду: Hd+(NO

3)d–. Оскільки в молекулі HNO

3 атом

Нітрогену чотиривалентний, то його четверту валентність для рів номірного розподілу між двома атомами Оксигену умовно зоб-ражують у вигляді двох штрихових ліній. Схематично молекулу кислоти так само, як і молекулу води, можна зобразити як диполь.

Тепер уявімо молекулу нітратної кислоти у воді. Завдяки дії диполів води полярні молекули HNO

3 розпадаються на заряджені

частинки — йони (рис. 21).

— ìîëåêóëè âîäè (äèïîëü)

NO3

–H

+

NO3

–H

+

NO3

–H

+ NO3

–H

+

Рис. 21. Схема дисоціації молекул із сильно полярним ковалентним зв’язком

Який же механізм дії диполів води?Диполі води орієнтуються своїми протилежними полюсами

навколо кожної полярної молекули кислоти. При цьому електронна хмара, що поєднує атом Гідрогену та кислотний залишок (NO

3)

частково переходить на зв’язок з молекулами води. У результаті зв’язок Hd+—(NO

3)d– послаблюється настільки, що молекули води

O

N

O O

H

3,5

3,0

3,5 3,5

2,1 ÅÍ

Рис. 20. Модель молекули нітратної кислоти

80

спільними зусиллями його розривають. Отже, вода має сильну йонізувальну дію, у результаті чого у водних розчинах молекули з ковалентними сильно полярними зв’язками теж йонізуються, тобто розпадаються на йони.

Із кожної молекули HNO3 утворюються позитивний йон Гідро-

гену — катіон Н+ і складний негативний йон — аніон NO3-. У роз-

чині відбувається гідратація йонів. Зазвичай записують спрощене рівняння електролітичної дисоціації, наприклад:

HNO H N3 3� + −+ OЗаряд катіона Н+ очевидний (+1), значення заряду складного

аніона випливає із заряду катіона та кількості його в молекулі. Перевіримо за ступенями окиснення:

( ) ,N O+ − −53

2 5 1 2 3 1æ æ− = −Зверніть увагу! Заряд йона записують навпаки: спочатку число,

а потім — знак; читають: Н+ — аш-плюс, NO3- — ен-о-три-мінус.

Електролітичної дисоціації зазнають і йонні сполуки. Якщо сила електростатичної взаємодії між полярними молекулами води та йонами кристалічної сполуки (солі чи лугу) є достатньою для того, щоб відділити йон від кристалічних ґраток, то йон переходить у розчин, де гідратується (рис. 22).

Cl–

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Cl–

Cl–

Cl–

Cl–

Рис. 22. Схема розчинення речовини з йонним зв’язком

Основні поняття. Механізм електролітичної дисоціації. Рівняння електролітичної дисоціації.

81

Запитання та завдання °1. Як можна пояснити механізм електролітичної дисоціації? °2. Який процес відбувається з йонами під час переходу їх

у розчин? °3. Як записують заряд йона? 4. Зобразіть схематично дисоціацію кристала солі KBr та молекули

HBr. 5. Визначте молярну концентрацію йонів Калію та сульфід-іонів

у розчині, в 1 л якого міститься калій сульфід масою 220 г. 6. Визначте молярну концентрацію йонів Натрію та хлорид-іонів, що

містяться у розчині з масовою часткою солі 20 % (густина розчину 1,15 г/мл).

§ 17. Електролітична дисоціація кислот, основ, солей у водних розчинах. Поняття про ступінчасту дисоціацію

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якіелектролітиназиваютькислотами,основами,солями;•якдисоціюютьбагатоосновнікислоти;•якиййонназиваютьГідроксонієм.

Згідно з теорією електролітичної дисоціації кислоти, основи та солі як класи хімічних сполук мають такі визначення.

Кислоти — це електроліти, які у водних розчинах дисоціюють з утворенням тільки одного виду катіонів — йонів Гідрогену.

А що відбувається з катіоном Н+ у розчині? Як ми розглянули вище, катіон Н+ відтягується від кислотного за-

лиш ку молекулами води. Після розриву зв’язку Hd+ — (NO3)d– йон Н+

не може залишитися вільним в оточенні диполів води. Чому? Спробуємо відповісти на це запитання, виходячи з будови йона Н+.

Розмірковуємо так: Н+ — це не хімічна частинка, а найпростіше ядро — протон р+, оскільки його електронна оболонка має формулу 1s0, тобто вона порожня. Вільний йон Н+ характеризується ве-ли чез ною рухливістю та проникною властивістю. Отже, у воді в нього має бути складніша будова. Яка?

Установлено, що відразу після відриву від аніона кислоти йон Н+

приєднується до молекули води й утворює з нею ковалентний зв’язок:

Н+ + Н2О ) Н

3О+

Отже, йон Гідрогену у вільному стані у воді не існує. Унаслі-. Унаслі-наслі-док утворення з молекулою води йона Гідроксонію H

3O+ процес

дисоціації кислот у водних розчинах часто подають таким чином:

82

HCl H O H O Cl+ ++ −2 3�

або у спрощеному вигляді:HCl H Cl� + −+

Багатоосновні кислоти дисоціюють ступінчасто. Наприклад, ортофосфатна кислота дисоціює в три ступені:

H PO H H PO3 4 2 4� + −+ (І ступінь)

H PO H HPO2 4 42� + −+ (ІІ ступінь)

HPO H PO42

43� + −+ (ІІІ ступінь)

Йони типу HPO42− , які містять Гідроген, що може відірватися

в процесі дисоціації за ІІІ ступенем, отримують назву з префіксом гідроген- (це означає, що частинка містить один Н+), — гідро ген-орто фосфат. Назва аніона H PO2 4

− — дигідрогенортофосфат: пре-фікс дигідроген- означає наявність двох Н+.

Найчастіше дисоціація здійснюється за першим ступенем. Це пов’язано з тим, що другий та третій йони Гідрогену відриваються вже не від електронейтральної молекули, а від аніонів, що мають негативний заряд.

Дамо загальне визначення основ з точки зору теорії елект ро лі-тич ної дисоціації.

Основи — це електроліти, які у водних розчинах дисоціюють з утворенням тільки одного виду аніонів — гідроксид-іонів ОН–:

NaOH Na OH= ++ −

Тепер зрозуміло зміст другої, точнішої назви основ — основні гідроксиди. Їх так називають тому, що під час дисоціації у розчині вони утворюють один вид аніонів — гідроксид-іони ОН–, які забарвлюють індикатори в кольори, характерні для основних властивостей цих речовин.

Солі — це електроліти, які у водному розчині дисоціюють з ут-во ренням катіонів металічних елементів та аніонів кислотних за-лишків:

Ca(NO Ca NO3 22

32) = ++ −

Основні поняття. Йон Гідроксонію. Кислота, основа й сіль як види електроліту. Ступінчаста дисоціація.

Запитання та завдання °1. Що таке кислоти, основи та солі з точки зору теорії

електролітичної дисоціації? °2. За якими критеріями кислоти як електроліти поділяють

на: а) одноосновні, двоосновні та триосновні; б) безоксигенові та оксигеновмісні?

83

°3. У чому полягає суть процесу ступінчастої дисоціації? Наведіть приклад електроліту, розкладання якого на йони відбувається ступінчасто. Підтвердіть це відповідними рівняннями дисоціації. Який ступінь дисоціації переважає? Чому?

4. Кислоти, на відміну від йонних електролітів, дисоціюють ступінчасто. Складіть рівняння електролітичної дисоціації нітратної, сульфідної, сульфітної кислот.

5. Складіть рівняння електролітичної дисоціації калій дигідро ген орто-фосфату. Які йони можна виявити в розчині цієї солі?

6. Під час електролітичної дисоціації яких електролітів утворюється йон Гідроксонію? Який ступінь окиснення Оксигену в цьому йоні?

7. У результаті ступінчастої електролітичної дисоціації молекул якої кислоти утворюється йон із зарядом 3–? Скільки катіонів Гідрогену при цьому утворюється?

8. Наведіть склад солі, у результаті ступінчастої електролітичної дисоціації 1 моль якої утворюється 5 моль йонів. Складіть рівняння її дисоціації.

*9. Водний розчин магній сульфату містить 0,15 моль йонів Магнію. Яку масу солі розчинили?

*10. У розчині виявлено йони складу: Na+, Mg2+, Cl–, SO4

2−. Які речовини були розчинені? Запропонуйте всі можливі варіанти відповіді.

§ 18. Ступінь електролітичної дисоціації. Сильні й слабкі електроліти

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакеступіньелектролітичноїдисоціації;•заякоюформулоювизначаютьступіньелектролітичноїдисоціації;•якіелектролітиназиваютьслабкими,аякі—сильними.

Ступінь електролітичної дисоціації. Здатність різних електро-літів розпадатися, тобто дисоціювати, у водних розчинах на йони не однакова: одні дисоціюють повністю, інші — частково.

Ступінь електролітичної дисоціації — це відношення кількості дисоційованих частинок (n) до кількості вихідних частинок (N) розчиненої речовини за певної температури.

Ступінь дисоціації позначають буквою α (альфа), виражають у частках одиниці або у відсотках:

α =n

N або α = ⋅

n

N100 %

Наприклад, якщо α = 0,8, або 80 %, це означає, що 80 частинок зі 100 розчинених розпалися на йони:

α = =80

100100 80æ % %

84

Значення α = 0 відповідає речовинам, які не дисоціюють узагалі (до них відносять багато сполук Карбону; про них ітиметься під час знайомства з органічними сполуками в розділі 5). Такі речовини називають неелектролітами.

Ступінь дисоціації електролітів залежить від концентрації розчинів цих електролітів: зі зниженням концентрації ступінь дисоціації зростає. Це й зрозуміло: що більш розведеним є розчин, то більша кількість молекул води бере участь у процесі дисоціації електроліту. Через це йони менше взаємодіють між собою, унаслідок чого збільшується кількість дисоційованих частинок електроліту.

Демонстраційний дослідПорівняння електричної провідності концентрованого й розведеного розчинів оцтової (етанової) кислоти

Дослідпроводятьнатійсамійустановці(рис.19).Готуютьдварозчинизконцентрацієюетанової(оцтової)кислоти1моль/лта 0,1 моль/л. Спочатку наливають у хімічний стакан розчин етановоїкислотиконцентрацією1моль/л.Звертаютьувагунавідхиленнястрілкиамперметратаінтенсивністьсвітіннялампочки.Замінюють розчин етанової кислоти концентрацією 1 моль/л на розчинтієї самої кислоти, але концентрацією 0,1 моль/л, тобто в десять разівменшою.Зновузамикаютьколойзвертаютьувагунавідхиленнястрілкиамперметратаінтенсивністьсвітіннялампочки.Пояснітьрезультати.

Сильні і слабкі електроліти. Електроліти за ступенем електро-літичної дисоціації поділяють на сильні та слабкі.

Сильними вважають електроліти, ступінь дисоціації яких на-віть у відносно концентрованих розчинах вищий за 30 %.

До сильних електролітів відносять більшість розчинних солей, кислоти HNO

3, H

2SO

4, HCl і луги KOH, NaOH, Ca(OH)

2, Ba(OH)

2.

Слабкими є електроліти, ступінь дисоціації яких навіть у роз-ведених розчинах менший за 3 %.

До слабких електролітів відносять більшість органічних кислот, неорганічні кислоти H

2CO

3, H

2S, H

2SiO

3 тощо, а також воду, амо-ощо, а також воду, амо-, а також воду, амо-

ній гідроксид і нерозчинні гідроксиди металічних елементів. У дуже сильно розведених розчинах ступінь дисоціації слабких електролітів наближається до 1.

Слабкі кислоти дисоціюють у водному розчині не повністю, а тому процес їхньої дисоціації оборотний. У рівняннях ставлять знак оборотності — дві протилежно направлені стрілки: � . На-приклад:

HNO H NO2 2� + + -

85

Цей запис означає, що в розчині, поряд із йонами H+ і NO2-,

наявні молекули HNO2. У цьому полягає головна відмінність слабких електролітів від сильних: у розведених розчинах сильних кислот майже немає молекул електролітів.

Електроліти, ступінь дисоціації яких більший за 3 %, але мен-ший за 30 %, відносять до електролітів середньої сили: H

3PO

4,

HNO2 та ін.

Таким чином, ступінь дисоціації є кількісною характеристикою сили електроліту.

Поряд з електролітичною дисоціацією існує термічна ди со ці а­ція — дисоціація електролітів на йони, яка відбувається під час розплавлення електролітів унаслідок нагрівання.

Основні поняття. Ступінь електролітичної дисоціації. Сильний електроліт. Слабкий електроліт. Електроліт середньої сили.

Запитання та завдання °1. Як називають здатність електролітів розпадатися у вод них

розчинах на йони? °2. Що таке ступінь електролітичної дисоціації? °3. Які електроліти називають сильними, а які — слабкими? Наведіть

приклади. °4. Від яких чинників залежить ступінь електролітичної дисоціації? 5. Чому ступінь електролітичної дисоціації слабких електролітів зі

зменшенням концентрації розчину збільшується? 6. Що лежить в основі електролітичної дисоціації електролітів? тер-

міч ної дисоціації електролітів? Чи всі електроліти можна піддавати термічній дисоціації?

7. Наведіть по одному прикладу солей, у результаті дисоціації одного моля яких утворюються: а) 2; б) 3; в) 4 молів йонів. Складіть рівняння дисоціації.

8. Із наведених формул випишіть окремо: а) формули сильних елект-ролітів; б) формули слабких електролітів; в) формули електролітів середньої сили:

H3PO

4, Cu(NO

3)2, KCl, HCl, Na

2S, KOH, Na

2SO

4, H

2S.

9. Як ви вважаєте, чому фторидна (плавікова) кислота є слаб ким елек-тролітом?

10. Напишіть формули речовин, які під час розчинення у воді утворю-ють йони: Zn2+ і NO

3–, Fe3+ і Cl–, H+ і SO

42–, Ba2+ і OH–, Cr3+ і SO

42–.

*11. У розчині містяться йони Na+, Mg2+, Cl–, SO42–. Які речовини були

розчинені? Запро по нуй те два варіанти відповіді.

86

§ 19. Обчислення ступеня електролітичної дисоціації

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якобчислюватиступіньелектролітичноїдисоціаціїелектролітів.

Приклади розв’язування задач

Приклад 1. Обчисліть ступінь електролітичної дисоціа-ції електроліту, якщо із кожних його 60 молекул 33 мо-лекули зазнали дисоціації.

Дано: N = 60 молекул розчиненіn = 33 молекули дисоційо-вані

Розв’язання

α = = =n

Næ æ100 100 55

33

60% % %.

Відповідь: 55 %.α — ?

Приклад 2. Водний розчин магній нітрату містить 0,6 моль йонів. Яку масу солі розчинили?

Дано: ν(йонів) = 0,6 моль

Розв’язання1. Запишемо рівняння дисоціації Mg(NO

3)2

у водному розчині:

Mg(NO Mg 2NO3 22

3) = ++ −m(Mg(NO

3)2) — ?

2. Із цього рівняння: у результаті дисоціації 1 моль Mg(NO3)2

утворюється 1 моль йонів Mg2+ і 2 моль йонів NO3

−, тобто всього 3 моль йонів. За умовою в розчині утворилося 0,6 моль йонів, це означає, що:у 3 моль суміші йонів Mg2+ і NO

3

− міститься 1 моль йонів Mg2+,а в 0,6 моль цієї суміші — x моль йонів Mg2+. Тоді

x = =⋅0 6

0 2,

,моль 1 моль

3 моль моль йонів Mg2+.

3. Скористаємось рівнянням дисоціації Mg(NO3)2:

Mg(NO Mg 2NO3 21

2

1

0 2

3),

моль

моль

моль

мольx

= ++ −

Звідси x = 0,2 моль Mg(NO3)2 або

m M(Mg(NO (Mg(NO (Mg(NO

/3 2 3 2 3 2

0 2 148 29

) ) ) ) ) )

, ,

= ⋅ =

= ⋅ =

ν

моль г моль 66 г.

Відповідь: 29,6 г.

87

Приклад 3. Унаслідок розчинення у воді гідроген хлориду утворилося 5,46 г йонів Гідрогену і 0,54 моль недисоційованих молекул HCl. Обчисліть ступінь електролітичної дисоціації цієї кислоти. Який це електроліт — сильний, слабкий чи середньої сили?

Дано: m(H+) = 5,46 гν(HCl) = 0,54 моль

Розв’язання1. Запишемо рівняння дисоціації HCl:HCl H Cl� + −+2. Визначимо кількість речовини розчине-ного у воді гідроген хлориду, тобто хлорид-ної кислоти.

α(HCl) — ?

Із рівняння дисоціації хлоридної кислоти:ν(HCl) = ν(H+) = 5,46 моль.

3. Ступінь електролітичної дисоціації α(HCl) обчислюємо за фор-HCl) обчислюємо за фор-) обчислюємо за фор-мулою:

αν

ν(HCl

(HCl

(HCl) % % %.

)

)

,

( , , )= = =

+0

100 100 915 46

5 46 0 54æ æ

Ступінь електролітичної дисоціації α(HCl) більший за 30 %, тому хлоридна кислота — сильний електроліт.Відповідь: 91 %, сильний електроліт.

Запитання та завдання 1. Обчисліть ступінь дисоціації електроліту, у якому 35 із

кожних 140 молекул розпадаються на йони. 2. В 1 л розчину міститься 1 моль кальцій хлориду. Із цієї

кількості речовини на йони розпалося тільки 83,25 г. Обчисліть ступінь елект ролітичної дисоціації кальцій хлориду. Який це електроліт — силь ний, слабкий чи середньої сили?

3. Обчисліть ступінь електролітичної дисоціації (%) електроліту, якщо із кожних його 40 молекул 24 молекули зазнали дисоціації. Який це електроліт — слабкий, сильний чи середньої сили?

4. У результаті розчинення фторидної кислоти утворилося 0,0035 г йонів Гідрогену та 0,35 моль молекул недисоційованої кислоти. Обчисліть ступінь електролітичної дисоціації фторидної кислоти в цьому розчині.

5. У розчині об’ємом 1 л міститься 0,10 моль кислоти, ступінь елект-ролітичної дисоціації якої 0,01 %. Яка маса йонів Гідрогену міститься в цьому об’ємі розчину?

6. У розчині з концентрацією одноосновної кислоти 0,25 моль/л міс-титься 0,0025 г йонів Гідрогену. Обчисліть ступінь електролітичної дисо ціації кислоти в цьому розчині.

7. В 1 л розчину міститься 1 моль натрій гідроксиду. Ступінь електро-літичної дисоціації цієї основи в розчині 73 %. Яка маса електроліту дисоційована на йони?

88

8. Ступінь електролітичної дисоціації нітратної кислоти (HNO3) у роз-

чині концентрацією 1 моль/л дорівнює 0,82 %. Яка маса йонів Гід-ро гену міститься у 3 л розчину цієї кислоти?

9. Ступінь електролітичної дисоціації CuCl2 в його розчині, що містить

0,6 моль солі, становить 60 %. Яка маса йонів Cu2+ утвориться внас-лідок дисоціації? Чому?

10. Розчин одноoсновної кислоти містить 0,6 г йонів Гідрогену та 3,4 моль недисоційованої кислоти. Який ступінь електролітичної дисоціації кислоти в розчині?

11. Яка маса кожного йона утвориться в результаті електролітичної дисоціації 2,5 моль калій сульфату, якщо його ступінь дисоціації 90 %?

*12. Яка маса йонів Натрію міститься в розчині об’ємом 2 л і молярною концентрацією NaOH 2 моль/л, якщо ступінь його електролітичної дисоціації α = 84 %?

*13. У результаті розчинення у воді гідроген броміду утворилося 2,7 г катіонів Гідрогену і 0,3 моль недисоційованих молекул HBr. Обчис-HBr. Обчис-. Обчис-літь ступінь електролітичної дисоціації цієї кислоти. Це сильний чи слабкий електроліт?

*14. 20 моль натрій гідроксиду розчинили в 2 л води й одержали роз-чин, який містить 16,38 моль гідроксид-іонів. Визначте ступінь електролітичної дисоціації цієї основи. Який це електроліт — слаб-дисоціації цієї основи. Який це електроліт — слаб-кий, сильний чи середньої сили?

§ 20. Реакції обміну між розчинами електролітів. Складання йонно-молекулярних рівнянь

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:• заякихумоввідбуваютьсяреакціїобмінуврозчинахелектролітів.

Нагадаємо, реакції обміну — це такі реакції, у ході яких дві складні речовини обмінюються своїми складовими частинами. За теорією електролітичної дисоціації, реакції обміну між електро-літами в розчинах — це реакції між йонами, які утворюються внаслідок дисоціації цих електролітів.

У яких випадках реакції обміну відбуваються до кінця?Реакції обміну відбуваються до кінця, коли продуктами реакції

є речовини, що не дисоціюють. Які саме речовини? Під час змішування розчинів різних електролітів у результаті

зіткнення йонів з протилежними зарядами можуть утворюватися: малодисоційовані сполуки — насамперед H

2O, а також слабкі

кислоти CH3COOH, H

2S та ін., осади — наприклад AgCl, BaSO

4,

CaCO3, або газоподібні речовини — CO

2, NH

3 тощо. У цьому можна

переконатися, провівши такі досліди.

89

Демонстраційний дослідРеакції обміну між електролітами у водних розчинахРозглянемо надослідінайхарактернішіреакціїобмінуміжелектролітамиу воднихрозчинах,якісупроводжуються:• випаданням осаду. У хімічний стакан ємністю 100 мл поміщають 30 млрозчинукальційхлоридуконцентрацією1моль/лідоливаютьтакийсамийоб’ємрозчинунатрійкарбонатуконцентрацією1 моль/л.Утворюєтьсябі-.Утворюєтьсябі-лийосад.Якоговінскладу?Запишеморівнянняхімічноїреакції:

CаСl2+Na

2CO

3=CaCO

3 ↓+2NaCl;

• виділенням газу. Наливають у хімічний стакан 30 мл хлоридної кислотиконцентрацією 1 моль/л і додають до нього такий самий об’єм розчинунатрій карбонату концентрацією 1 моль/л. Спостерігаємо інтенсивнегазоутворення.Якийскладгазу?Якейогозабарвлення?Чипідтримуєвінгорінняскіпки?Рівнянняреакціїтаке:

2HCl + Na2CO

3=2NaCl+H

2CO

3(H

2CO

3)H

2O+CO

2 ↑);

• утворенням води.У хімічнийстаканналивають20млхлоридної кислотиконцентрацією 1  моль/л і додають 2–3 краплини розчину метилоранжу.Потім краплинами доливають розчин натрій гідроксиду концентрацією1 моль/л доти, поки індикатор змінить забарвлення. Який з утворенихпродуктівцієїреакціїєслабкимелектролітом?

HCl+NaOH=NaCl+H2O

Отже, подібні реакції відбуваються за умови утворення речовин з іще міцнішим хімічним зв’язком. Ми записали рівняння реакцій у молекулярній формі. Але ж реакції в розчинах електролітів відбуваються між йонами, тому їх називають йонними, а рівнян-ня — йонно­молекулярними. У них записують формули йонів або молекул речовин, які взяли участь у реакції. Інакше кажучи, до запису молекулярного рівняння додають рівняння в повній і скороченій йонній формах.

Алгоритм складання йонно-молекулярних рівнянь1. Скласти рівняння реакції в молекулярній формі. 2. Переписати в йонному вигляді формули тільки сильних

електролітів. Практично нерозчинні, малорозчинні та малодисоційовані, а також газоподібні сполуки залишити в молекулярній формі.

3. Визначити йони, які не беруть участі в утворенні малоди-соційованих, малорозчинних (осадів) і газоподібних речо-вин.

4. Скласти скорочене йонне рівняння реакції, яке відображає реальний механізм її перебігу.

90

Наведемо конкретні приклади складання таких рівнянь.І. Складання рівнянь реакцій обміну, перебіг яких супроводжу-Складання рівнянь реакцій обміну, перебіг яких супроводжу-, перебіг яких супроводжу-

ється утворенням малорозчинної сполуки (осаду):1-й крок. Записуємо рівняння реакції в молекулярній формі:

розчинна сіль розчинна сіль нерозчинна сіль

K SO Ba(NO BaSO2 4 3 2 4+ =) ↓↓ +

розчинна сіль

2 3KNO

Обидві солі, що взаємодіють, є розчинними й повністю дисо-ціюють на йони: так, калій сульфат — на йони K+ і сульфат-іо ни SO

42–, а барій нітрат — на йони Ba2+ і нітрат-іони NO3

-. Одна утворена сіль, барій сульфат BaSO

4, нерозчинна, а тому

випа дає в осад. Друга утворена сіль, калій нітрат KNO3, розчинна

і є сильним електролітом (див. табл. розчинності на форзаці 2), а отже, залишається в розчині у вигляді йонів (K+ і NO3

-).2-й крок. Наведене вище молекулярне рівняння можна подати

й у такому вигляді:2K SO Ba NO BaSO K NO+ − + − + −+ + + = ↓ + +4

2 23 4 32 2 2

Таке рівняння називають рівнянням у повній йонно­молекулярній формі. У ньому в йонній формі подають лише формули добре розчинних сильних електролітів, а формули газоподібних, мало-ди соційованих та малорозчинних речовин — у молекулярній фор-мі з урахуванням коефіцієнтів.

3-й крок. Так, з аналізу наведеного рівняння можна зробити висновок, що йони K+ і NO3

- участі в реакції не беруть, оскільки залишаються після реакції такими самими, як і до неї.

Підкреслюємо йони, що не беруть участі в реакції:

2K SO Ba NO BaSO K NO+ − + − + −+ + + = ↓ + +42 2

3 4 32 2 2

4-й крок. Тому такі йони виключають із запису рівняння в повній йонно-молекулярній формі. Складемо скорочене йонно­молекулярне рівняння, до якого входять лише ті йони, що беруть безпосередню участь у реакції:

Ba SO BaSO242

4+ −+ = ↓

Реакції такого типу, які відбуваються без зміни ступенів окис-нення атомів, що утворюють йони, називають йонообмінними.

Лабораторний дослід 4Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що суп ро вод жу­ють ся випаданням осадуУдвіпробіркиналийтепо1млрозчинівкупрум(ІІ)сульфатутаферум(ІІІ)хлориду концентрацією 0,5  моль/л. У кожну пробірку додайте по 1  млрозчину натрій гідроксиду концентрацією 1 моль/л. Що при цьомуспостерігаєте?Якезабарвленняосадів,щоутворилися?Складітьрівнянняреакційумолекулярнійтавповнійіскороченіййоннійформах.

91

ІІ. Складання рівнянь реакцій, перебіг яких супроводжується утворенням газоподібної сполуки, розглянемо на прикладі реакції натрій сульфіду з хлоридною кислотою.

1-й крок. Na S HCl NaCl H S2 22 2+ = + ↑2-й крок. 2Na S + 2Cl 2Na 2Cl H S+ − + − + −+ + = + + ↑2

22H3-й крок. 2Na S 2Cl 2Na 2Cl H S+ − + − + −+ + + = + + ↑2

22H4-й крок. S H H S2

22− ++ = ↑

Лабораторний дослід 5Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що суп ро вод жу­ють ся виділенням газуПрацювати під тягою!Воднузмікропробіроквнесіть5крапельрозчинунатрійкарбонатукон-центрацією0,5 моль/лідодайтевнеїстількижкрапельхлоридноїкисло-тиконцентрацією0,5 моль/л.Перемішайтевмістпробірки.Спостерігайтевиділеннягазоподібноїречовини.Складітьрівнянняреакціївмолекулярнійтаповнійіскороченіййоннійформах.Чимаєзапахлеткийпродуктреакції?У другу мікропробірку налийте 5 крапель розчину натрій сульфідуконцентрацією 0,5  моль/л і додайте в неї стільки ж хлоридної кислотиконцентрацією 0,5  моль/л. Визначте за запахом тухлих яєць складгазоподібногопродуктуреакції.Складітьрівнянняреакціївмолекулярнійтаповнійіскороченіййоннійформах.ІІІ. Складання рівнянь реакцій, перебіг яких супроводжується

утворенням малодисоційованої сполуки, розглянемо на прикладі взаємодії нітратної кислоти з кальцій гідроксидом.

1-й крок. 2HNO Ca(OH) Ca(NO H O3 2 3 2 22+ = +)2-й крок. 2H NO Ca 2OH Ca 2NO H O+ − + − + −+ + + = + +2 23

2 23 2

3-й крок. 2H NO Ca 2OH Ca 2NO H O+ − + − + −+ + + = + +2 232 2

3 2

4-й крок. 2H OH H O+ −+ =2 2 2 або H OH H O+ −+ = 2

Лабораторний дослід 6Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супровод жу­ют ься утворенням водиНалийтеукожнуздвохпробірокпо5крапельрозчинунатрійгідроксидуконцентрацією2 моль/лідодайтепо1краплірозчинуфенолфталеїну.Піддієюякихйоніврозчинфенолфталеїнуставмалиновим?В однупробіркудодавайтезпіпеткипокрапляххлориднукислотуконцентрацією2 моль/л,у другу — розчин ортофосфатної кислоти концентрацією 2 моль/л доповного знебарвлення розчинів. Чим можна пояснити знебарвленнярозчинів?У якомувипадкурозчинзнебарвлюєтьсяшвидше?Складіть рівняння обох реакцій взаємодії лугу з хлоридною таортофосфатноюкислотамивмолекулярній іповнійтаскороченіййоннійформах.Чомудругареакціявідбуваєтьсязутворенняммалодисоційованоїсполуки— води, хоча вихідною речовиною є ортофосфатна кислота—електролітсередньоїсили?

92

Щоб з’ясувати можливість перебігу тієї чи іншої реакції обміну, часто доводиться користуватися таблицею розчинності неорганіч-них сполук (див. форзац 2). Також потрібно пам’ятати найпошире-ніші випадки утворення газоподібних сполук (карбон(ІV) оксиду та сульфур(ІV) оксиду). Ці сполуки виділяються, якщо в резуль-V) оксиду). Ці сполуки виділяються, якщо в резуль-) оксиду). Ці сполуки виділяються, якщо в резуль- оксиду). Ці сполуки виділяються, якщо в резуль-, якщо в резуль-таті реакції обміну утворюються відповідні кислоти (карбонатна H

2CO

3 та cульфітна H

2SO

3 — нестійкі сполуки, які розкладаються

в момент утворення).Основні поняття. Йонообмінні реакції. Рівняння хімічної реак-

ції в молекулярній, повній та скороченій йонній формах.

Запитання та завдання °1. Як відбуваються реакції між електролітами в розчинах? Це

реакції між молекулами чи між йонами? °2. Яких правил треба дотримуватися під час складання йонно-моле ку-

ляр них рівнянь? °3. У яких випадках хімічні реакції в розчинах електролітів відбуваються

до кінця? 4. Між якими з поданих нижче електролітів може відбуватися реакція

обміну? Чому? Складіть рівняння можливих реакцій у молекулярній, повній і скороченій йонній формах:

а) ферум(ІІІ) сульфат і калій гідроксид; б) барій нітрат і калій хлорид; в) барій гідроксид і ортофосфатна кислота. 5. У яких із поданих нижче випадків можливий перебіг реакції?

Чому? Складіть рівняння можливих реакцій у молекулярній, повній і скороченій йонній формах:

а) HNO Ca(OH)3 2+ → ;б) Pb(NO ) ZnCl3 2 2+ → ;в) Al(OH) H SO3 2 4+ → ;г) CaCO HNO3 3+ → ;ґ) AgNO CaBr3 2+ → ;

д) CuCl NaOH2 + → ;е) Fe(NO ) MgSO3 2 4+ → ;є) Fe(NO ) Na S3 3 2+ → ;ж) Ca K COCl2 2 3+ → .

*6. Наведіть повні рівняння реакцій, сутність яких можна виразити та-кими йонними рівняннями в скороченій формі:

а) 3Ca PO Ca (PO )243

3 4 22+ −+ = ↓; г) H OH H O;+ −+ = 2

б) 2H S H S+ −+ = ↑22 ; ґ) Mg2+ + 2OH– = Mg(OH)

2 ↓;

в) 2 32

2 2H CO CO H O+ −+ = ↑ + ; д) 3 2242

3 4 2Ba PO Ba PO+ −+ = ↓( ) . *7. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі

перетворення: а) кальцій → кальцій гідроксид → кальцій хлорид → кальцій

карбонат; б) натрій → натрій гідроксид → натрій хлорид → натрій нітрат. Складіть рівняння відповідних реакцій у молекулярній, повній

і скороченій йонній формах.

93

§ 21. Хімічні властивості кислот, основ, амфотерних гідроксидів, солей у світлі уявлень про електролітичну дисоціацію

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•про хімічні властивості кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей якелектролітів.

1. Хімічні властивості кислот. До найважливіших властивостей кислот як електролітів відносять такі реакції йонного обміну:

а) взаємодію з лугами та основами з утворенням солі та води (реакція нейтралізації):

HNO KOH KNO H O3 3 2+ = +H NO K OH NO K H O+ − + − − ++ + + = + +3 3 2

H OH H O+ −+ = 2

H2SO

4 + Mg(OH)

2 = MgSO

4 + H

2O

2 242

22

42

2H SO Mg OH Mg SO H O+ − + −+ + = + +( )

2 222

2H Mg OH Mg H O+ ++ = +( )б) взаємодію із солями (середніми, кислими, основними)

з утворенням летких або нестійких кислот:

Na S H SO . Na SO H S2 2 4 2 4 2+ = + ↑( )розв — летка кислота

2Na S H SO 2Na SO H S+ − + − + −+ + + = + + ↑242

42

222 2

2H S H S+ −+ = ↑K CO HNO KNO H O CO2 3 3 3 2 22 2+ = + + ↑ — нестійка кислота

2K CO H NO 2K NO H O CO+ − + − + −+ + + = + + + ↑32

3 3 2 22 2 2

2 32

2 2H CO H O CO+ −+ = + ↑NaHCO HCl NaCl H O CO3 2 2

кисла сіль

+ → + + ↑

Na HCO H Cl Na Cl+ ++ + + = + + + ↑+3 2 2− − − H O CO

H HCO+ + = + ↑3 2 2− H O CO

( )MgOH CO H SO = MgSO H O CO2 3 2 4 4 2 22 2 3основна сіль

+ + + ↑

2 4 2 2 2 332

42 2

42

2 2( )MgOH H CO SO Mg SO H O CO+ + − − + −+ + + = + + + ↑2 4 2 33

2 22 2( )MgOH H CO Mg + H O CO+ + − ++ + = + ↑

2. Хімічні властивості основ. Розчинні основи, або луги, відно-сять до сильних електролітів, за винятком NH H O.3 2æ Сильні основи утворюють головним чином елементи IА- та IІА-груп Періодичної системи елементів. Нерозчинні основи відносять до слабких основ.

94

До найважливіших властивостей основ як електролітів належать такі реакції йонного обміну:

а) взаємодія лугів з кислотами з утворенням солі та води: Ca(OH) HNO Ca(NO H O2 3 3 2 22 2+ = +)

Ca OH H 2NO Ca 2NO H O23

23 22 2 2+ − + − + −+ + + = + +

2 2 2H 2OH H O+ −+ =H OH H O+ −+ = 2

б) взаємодія нерозчинних основ з кислотами з утворенням солі та води:Cu(OH) H SO CuSO H O2 2 4 4 22+ = +Cu(OH) H SO Cu SO H O2 4

2 242

22 2+ + = + ++ − + −

Cu(OH) H Cu H O22

22 2+ = ++ +

в) взаємодія з розчинними солями з утворенням нової солі та нерозчинної основи:2 23 2 2 3NaOH Mg(NO ) Mg(OH) NaNO+ = ↓ +2 2 22

3 2 3Na OH Mg 2NO Mg(OH) Na 2NO+ − + − + −+ + + = ↓ + +

Mg 2OH Mg(OH)22

+ −+ = ↓KOH KHCO K CO H O3 2

кисла сіль3 2+ = +

K OH K HCO 2K CO H O+ +3

+32

2+ + + = + +− − −

OH HCO H O CO3 2 32− − −+ = +

2NaOH (FeOH)SO Fe(OH) Na SO4основна сіль

3 2 4+ = ↓ +

2Na 2OH (FeOH) SO Fe(OH) 2Na SO+ 2+42

3+

42+ + + = ↓ + +− − −

2OH (FeOH) Fe(OH)2+3

− + = ↓3. Хімічні властивості амфотерних гідроксидів. Амфотерні гід-

ро ксиди здатні взаємодіяти як з кислотами, так і з лугами, тоб то залежно від складу другого реагенту (кислоти або лугу) виявляти як основні, так і кислотні властивості. Найхарактерніші амфотерні властивості виявляють гідроксиди Zn(OH)

2, Al(OH)

3, Cr(OH)

3.

До найважливіших властивостей амфотерних гідроксидів від-носять такі реакції йонного обміну:

а) взаємодію з кислотами з утворенням солі та води:2Al(OH) H SO Al (SO H O3 2 4 2 4 3 23 6+ = +)

2Al(OH) H SO Al SO H O3 42 3

42

26 3 2 3 6+ + = + ++ − + −

2Al(OH) H Al H O33

26 2 6+ = ++ +

Al(OH) H Al H O33

23 3+ = ++ +

95

б) взаємодію з лугами:

Al(OH) NaOH NaAlO H O1000 C

3 2 22+ = +o

натрійметаалюмінат

— спікання

Al(OH) NaOH . Na[Al(OH)3 4+ =( ) ]конц натрійтетрагідроксоалююмінат

— комплексна сполука

Al(OH) Na OH Na [Al(OH)3 4+ + = ++ +− −]

Al(OH) OH [Al(OH)3 4+ =− −]

4. Хімічні властивості солей. До найважливіших властивостей солей відносять такі реакції йонного обміну:

а) взаємодію з розчинами лугів:CuCl

2 + 2KOH = Cu(OH)

2 ↓ + 2KCl

б) взаємодію з кислотами:K

2CO

3 + H

2SO

4 = K

2SO

4 + H

2O + CO

2↑

в) взаємодію із солями:BaCl

2 + Na

2SO

4 = BaSO

4 ↓ + 2NaCl

Завдання. Рівняння в повній і скороченій йонній формах за-пишіть самостійно. Аналогічні рівняння наведено вище, під час розгляду властивостей кислот та основ.

У розчинах середні солі дисоціюють з утворенням катіонів мета-лічного елемента та аніонів кислотного залишку:

Ba(NO ) Ba NO3 22

32= ++ −

У результаті дисоціації кислих солей у розчині, поряд з катіона-ми металічних елементів, наявні катіони Гідрогену:

Na HPO Na HPO2 4 422= ++ −

HPO H PO42

43− + −+�

NaH PO Na H PO2 4 2 4= ++ −

H PO H HPO2 4 42− + −+�

HPO H PO42

43− + −+�

Іншими словами, дисоціація відбувається ступінчасто: більшою мірою — за першим ступенем, найменшою — за третім.

Основні поняття. Хімічні властивості кислот, основ, амфотер-Хімічні властивості кислот, основ, амфотер-, основ, амфотер-них гідроксидів і солей як електролітів.

96

Запитання та завдання 1. Якими є найважливіші властивості: а) кислот; б) основ;

в) амфотерних гідроксидів; г) солей? 2. Які основи та амфотерні гідроксиди належать до слабких? 3. Елементи яких груп Періодичної системи утворюють сильні основи? 4. У чому полягає різниця в хімічних властивостях лугів та амфотерних

гідрок сидів? 5. Складіть рівняння дисоціації таких електролітів: H

2SO

4, KH

2PO

4,

K2HPO

4, NaHCO

3, H

2S, Ba(OH)

2, HCl, K

2SO

4. Візьміть до уваги силу

вказаних електролітів. Дайте назву утвореним йонам. 6. З якими з перелічених речовин взаємодіятиме Ba(OH)

2 : CO

2, NaOH,

CuCl2, H

2SO

4? Запишіть можливі реакції у вигляді скорочених йон-

них рівнянь. 7. У воді об’ємом 380 мл розчинили 20 г нітратної кислоти. Визначте

масову частку цієї кислоти в розчині. *8. Обчисліть молярну концентрацію розчиненої речовини, якщо

в 200 мл розчину міститься 0,5 моль калій хлориду. *9. У 400 мл розчину міститься 19,6 г сульфатної кислоти. Обчисліть

молярну концентрацію еквівалента розчиненої кислоти.

§ 22. Дисоціація води. Поняття про рН розчину

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щоназиваютьйоннимдобуткомводи;•щотакеpHрозчину.

Незважаючи на те що вода є слабким електролітом, вона, хоча й незначною мірою, дисоціює на йони:

H2O або HOH H OH� + −+

Експериментально встановлено, що за температури 20 °С кон-центрація йонів H+ у чистій воді дорівнює 10–7 моль/л. Оскільки вода є нейтральною речовиною, то такою самою буде й концентрація гідроксид-іонів OH–. Добуток концентрацій йонів Гідрогену [H+] і гідроксид-іонів [OH–] називають йонним добутком води:

[H OH+ − − − −= =] ][æ æ10 10 107 7 14

Якщо ж до води додати, наприклад, кислоти, то концентрація йонів Гідрогену [H+] зросте, а гідроксид-іонів [OH–] — зменшиться. У разі додавання до води лугу зменшиться концентрація йонів [H+] і збільшиться концентрація йонів [OH–], але йонний добуток води в обох випадках залишиться 10–14.

97

Отже, коли [H+] = [OH–] = 10–7 моль/л, розчин має нейтральне середовище, коли [H OH+ −>] ][ — кислотне, а коли [H+] < [OH–] — лужне.

На практиці використовують розчини з певною концентрацією йонів [H+]. Розчин кислотний, якщо [H+] > 10–7 моль/л, або луж-, або луж-ний, якщо [H+] < 10–7 моль/л. Залежність між концентрацією йо-. Залежність між концентрацією йо-нів Гідрогену, величиною рН та реакцією середовища (кислотною чи лужною) показано на схемі 10.

Схема 10Çá³ëüøåííÿ êèñëîòíîñò³ Çá³ëüøåííÿ ëóæíîñò³

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Ñèëüíîêèñëîòíå Ñëàáîêèñëîòíå

Íåéòðàëüíå

Ñëàáîëóæíå Ñèëüíîëóæíå

pH

Кількісно кислотно-основні властивості розчинів електролітів характеризують концентрацією йонів Гідрогену у водних розчинах. Її позначають символом рН і називають водневим показником.

Величина pH указує на характер середовища. Якщо фільт ру-вальний папір просочити розчином індикатора й висушити, то отримаємо індикаторний папір, який широко використовують у лабораторній практиці. Для визначення кислотності середовища краплину досліджуваного розчину наносять на смужку інди-каторного паперу. Порівнюючи забарвлення папірця зі шкалою (схема 10), знаходять значення pH розчину.

Хіміки використовують також універсальний індикатор, що є сумішшю кількох речовин. За його забарвленням можна ви-значити кислотність середовища з точністю до 0,2 (схема 11).

Схема 11

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

4 %

-âà

HCl

0,5

%-â

à H

Cl

1 %

-âèé ð

îç÷èí

NaH

CO

3

Ëèì

îííèé ñ

³ê

Ãàç

îâàí

à âî

äà

(CO

2)

Ìîë

îêî

Âîä

àÊ

ðîâ

1 %

-âèé ð

îç÷èí N

aOH

4 %

-âèé ð

îç÷èí N

aOH

98

Лабораторний дослід 3Встановлення приблизного значення pH води, лужних і кислотних розчинів за допомогою універсального індикатораМетою досліду є визначення pH розчинів кислот і лугів, а такождистильованоїводи.Краплинудосліджуваногорозчинускляноюпаличкоюнанесітьнасмужкуфільтрувальногопаперу,просоченогоуніверсальниміндикатором. Порівняйте отримане забарвлення із забарвленнямуніверсального індикатора (схема 11), яке відповідає певному значеннюpH розчину, тобто певній концентрації йонів Гідрогену або гідроксид-іонів. Обчисліть концентрацію йонів Гідрогену за формулою водневогопоказника.Результативимірюваньзанесітьутаблицю.

Досліджуваний розчин

Колір індикатора

pH розчину

Концентраціяйонів Н+

Водопровідна вода

Натрій гідроксид

Хлоридна кислота

Натрій карбонат

Алюміній хлорид

Для допитливихЗнати кислотність середовища потрібно в багатьох галузяхнауки та техніки. Наприклад, екологи постійно вимірюють pH дощовоїводи,водирічоктаозер.Різкепідвищеннякислотностіприродних вод може бути наслідком забруднення атмосферигазамиавтомобілівабовикидамипромисловихпідприємств.Водневий показник — дуже важлива характеристика процесів, які від-буваються в організмах. Кожен вид рослин потребує ґрунту з певноюкислотністю. Через це перед висаджуванням агрономи визначають pH ґрунту. Якщо його кислотність занадто висока для вирощування даноїкультури,товносятькрейдуабовапно—проводятьтакзваневапнування.У харчовій промисловості за допомогою кислотно-основних індикаторівздійснюютьконтрольвиробництванапоїв.

Основні поняття. Йонний добуток води. Водневий показник. Універсальний індикатор. Характер середовища.

Сьорен П. Л. Сьоренсен(1868–1939)

Данський біохімік, засновник сучасної рН-метрії. У 1909 р. запропонував використовувати логариф-мічну шкалу — так звану шкалу рН, щоб виразити концентрацію йонів Гідроксонію Н

3О+ у розчині.

Позначення рН є абревіатурою виразу «potential of Hydrogen».

99

Запитання та завдання °1. Що таке йонний добуток води? Як його позначають? Як

позначають з використанням водневого показника pH ней-тральність, кислотність і лужність розчину?

°2. До яких електролітів — сильних чи слабких — належить чиста вода? °3. Який pH чистої води? 4. Із наведеного переліку випишіть формули речовин, розчини яких

мають середовище: а) кислотне; б) лужне. KCl, KOH, HCl, NaNO

3, Ca(OH)

2, HNO

3.

5. У трьох пробірках містяться розчини натрій гідроксиду, нітратної кислоти та кальцій хлориду. Що треба використати, щоб розпізнати ці розчини?

6. Дощова вода має pH = 5,6. Що це означає? Яка речовина, що міс-тить ся в повітрі, у результаті розчинення у воді утворює таке сере-довище? Чи безпечне таке середовище для довкілля?

7. Розчини сильних одноосновних кислот однакової концентрації мають однакове значення pH. Розчини слабких кислот мають різне значення pH: що ближче pH до 7, то слабша кислота. Чим можна це пояснити?

*8. Чи залежить pH розчину сильної кислоти від її концентрації? Відпо-відь обґрунтуйте.

*9. У результаті спалювання кам’яного вугілля на теплоелектростанціях до атмосфери потрапляють продукти його згоряння, що містять оксиди Карбону, Сульфуру та Нітрогену. Яке значення pH матиме дощова вода: більше 7 чи менше 7?

*10. До розчину, який містить 1 моль натрій гідроксиду, долили розчин уні версального індикатора. Чи зміниться і як зміниться забарвлен-. Чи зміниться і як зміниться забарвлен-ня розчину, як що до нього додати розчин, що містить: а) 0,5 моль; б) 1 моль; в) 1,5 моль HCl? Визначте зміну характеру середовища за схема ми 10, 11.

§ 23. Виявлення в розчині гідроксид-іонів та йонів Гідрогену

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•яквиявитиврозчинігідроксид-іонитайониГідрогену.

Гідроксид-іони та йони Гідрогену в розчині виявляють за до по-могою кислотно­основних індикаторів — речовин, які змінюють колір залежно від характеру середовища. До найпоширеніших індикаторів належать лакмус, метилоранж і фенолфталеїн, при цьому кожен індикатор має власний інтервал значень рН, за яких він змінює колір. Існують також універсальні індикатори, які

100

являють собою суміш розчинів різних індикаторів. Вони змінюють забарвлення залежно від зміни pH з точністю до одиниці (табл. 5).

Таблиця 5

Зміна забарвлення кислотно-основних індикаторів залежно від характеру середовища

²íäèêàòîð

Çíà÷åííÿ pH ðîç÷èíó

Ëàêìóñ

Ôåíîëôòàëå¿í

Ìåòèëîðàíæ(ìåòèëîâèé îðàíæåâèé)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Лабораторний дослід 2 Виявлення у розчині гідроксид­іонів та йонів Гідрогену•Виявлення йонів Гідрогену.Упробіркуналийтехлориднукислотуоб’ємом1 мл. Додайте 5–6 крапель розчину лакмусу. Що спостерігаєте? Якогозабарвленнянабуваєкислота?Чому?Удругупробіркузхлоридноюкислотоюоб’ємом1млдодайте1 краплюрозчинуфенолфталеїну.Щоспостерігаєте?Чизмінюєтьсяколіркислоти?Чому?Згадайтепро інтервалипереходукольору індикаторазалежновідзначенняpHрозчину.•Виявлення гідроксид-іонів.Укожнуздвохпробірокналийтерозчиннатрійгідроксидуоб’ємом1мл.Упершупробіркудодайте5–6крапельрозчинулакмусу. Що спостерігаєте? Якого забарвлення набуває розчин лугу?Чому?У другу пробірку з розчином натрій гідроксиду об’ємом 1 мл додайте1 краплюрозчинуфенолфталеїну.Щоспостерігаєте?Якогокольоруставрозчинлугу?

Для допитливих

•Фізіологічна дія йонів Гідрогену та гідроксид­іонівВнутрішнє середовище організму — кров, лімфа, шлунковийсік —єводнимирозчинами.ТомуpHцихрозчиніввпливаєнажиттєдіяльністьклітин,тканин,органівтаорганізмувцілому.ЗначенняpHвнутрішньогосередовищаорганізмухарактеризуєтьсяста-лістютастійкістю.Наприклад,pHкровілюдинипідтримуєтьсявінтервалізначень 7,35–7,45. Навіть незначні його зрушення (на 0,2–0,3  одиниці)у кислотнуаболужнуобластьспричиняютьвеликізмінив життєдіяльностіорганізму.Упроцесіобмінуречовинуклітинахбезперервноутворюютьсяпродуктикислотногохарактеру.Кінцевийпродуктокисненняпоживнихречовин—CO

2 накопичується в крові, унаслідок чого виникає загроза підвищення

101

концентрації йонів Гідрогену. НадлишокCO2 в крові збуджує дихальний

центр,тойпідсилюєактивдихуйвидиху,іврезультатіконцентраціяCO2

знижується.БілкитакожстійкілишевпевнихмежахpH.ДлякожноговидубілкаіснуєзначенняpH,заякоговінденатурує.Кислотно-лужнийстанвнутрішньогосередовищаорганізмувизначаєйогосприйнятливість до інфекційних захворювань. Так, оптимальне значенняpH для розмноження холерних вібріонів— 7,6–9,2. Люди з підвищеноюкислотністюшлунковогосокунезаражуютьсяхолерою,навітьякщовониперебуваютьвосередкуінфекції.

Основні поняття. Кислотно-основний індикатор.

Запитання та завдання °1. Що таке кислотно-основні індикатори? Які з них найбільш

поширені? °2. Які йони спричиняють зміну забарвлення індикаторів? °3. Якого забарвлення набувають метилоранж, лакмус та фенолфталеїн

у розчині калій гідроксиду? °4. Яке забарвлення матиме лакмус у розчинах: а) NaOH; б) HNO

3;

в) K2SO

4?

5. У кислотному, лужному та нейтральному водному середовищі відпо-відні значення водневого показника pH:

а) > 7, < 7, 7; в) 7, >7, < 7;

б) < 7, > 7, 7; г) > 7, 7, < 7. 6. У кожну з трьох пробірок з розведеним розчином сульфатної кислоти

внесли по краплях розчини лакмусу, метилоранжу та фенолфталеїну. Яким буде забарвлення індикатора в кожній пробірці?

7. У три пробірки з розчином барій гідроксиду налили по краплях розчини фенолфталеїну, лакмусу та метилоранжу. Як змінилося забарвлення індикаторів у розчині?

8. Розчин має значення pH, що дорівнює: а) 10; б) 2; в) 7. Про який характер середовища це свідчить?

9. У якому з розчинів концентрація йонів Гідрогену вища: а) pH = 3; б) pH = 6?

10. У якому з розчинів концентрація гідроксид-іонів менша: а) pH = 9; б) pH = 12?

*11. Як можна експериментально виявити характер середовища (ней-траль ний, кислотний чи лужний) водного розчину?

102

§ 24. Гідроліз солей

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакегідролізсолей;•якітиписолейзазнаютьгідролізу.

У водних розчинах усі розчинні солі повністю дисоціюють на йони. Кожному утвореному при цьому катіону відповідає певна основа, а кожному аніону — певна кислота. Ці основи та кислоти можуть бути як сильними, так і слабкими. Через це всі солі поділяють на чотири умовні типи:

а) солі, утворені сильними основами та сильними кислотами;б) солі, утворені слабкими основами та сильними кислотами; в) солі, утворені сильними основами та слабкими кислотами;г) солі, утворені слабкими основами та слабкими кислотами.

Слабкі основи та слабкі кислоти є слабкими електролітами, тобто мають низькі значення ступенів електролітичної дисоціації. Через це катіони солей, утворені слабкими основами, досить активно зв’язують гідроксид-іони води, а аніони солей, утворених слабкими кислотами, — йони Гідрогену води. Указані реакції обмінної взаємодії йонів солі з йонами води називають реакціями гідролізу.

Процес гідролізу слід відрізняти від процесу гідратації. Гід-ратація — це процес взаємодії йонів солі з молекулами води, а гідроліз — це процес взаємодії йонів солі не з молекулами, а з йонами води. Так, зв’язування аніонами солі катіонів Гідрогену води спричиняє утворення кислоти або кислої солі, а зв’язування катіонами солі гідроксид-іонів води сприяє утворенню основ або основних солей.

Розглянемо процес гідролізу солей на конкретних прикладах.

• Сіль, утворена сильною основою та сильною кислотою, не зазнає гідролізу: KCl, NaNO

3, K

2SO

4 тощо.

• У солей, утворених слабкою основою та сильною кислотою, наприклад у Cu(NO

3)2, взаємодіяти з йонами води, тобто

гідролізувати, буде тільки катіон Cu2+. Рівняння гідролізу цієї солі можна подати таким чином (при цьому склад молекули води часто записують як HOH):

Cu NO HOH CuOH) NO H23 32 2+ − + − ++ + + +� ( (І ступінь)

Cu HOH CuOH H2+ + ++ +�Cu(NO H O CuOH)NO HNO3 2 2 3 3) (+ +�

103

CuOH NO HOH Cu(OH) H NO+ − + −+ + + +3 2 3� (ІІ ступінь)

CuOH HOH Cu(OH) H+ ++ +� 2

(CuOH)NO H O Cu(OH) HNO3 2 2 3+ +�Гідроліз за другим ступенем практично не відбувається, через те що підвищення в розчині концентрації йонів Гідрогену перешкоджає утворенню Cu(OH)

2. Тому в молекулярній формі

рівняння гідролізу солі Cu(NO3)2 має такий вигляд:

Cu(NO HOH CuOHNO HNO3 2 3 3) ,+ +� pH < 7

Отже, другим ступенем процесу гідролізу можна знехтувати. Як видно з наведеного рівняння, йони Гідрогену в надлишку і надають розчину солі Cu(NO

3)2 кислотної реакції, тому pH < 7.

• У солей, утворених сильною основою та слабкою кислотою, на-приклад у K

2CO

3, взаємодіє з йонами води тільки аніон CO3

2− — аніон слабкої карбонатної кислоти:

2K CO HOH K HCO OH+ − + − −+ + + +32

32� (І ступінь)

CO HOH HCO OH32

3− − −+ +�

K CO HOH KHCO KOH2 3 3+ +�

K HCO HOH H CO OH+ − −+ + +3 2 3� (ІІ ступінь)

HCO HOH H CO OH3 2 3− −+ +�

KHCO HOH H CO KOH3 2 3+ +�Гідроліз за другим ступенем практично не відбувається, тому що підвищення в розчині концентрації гідроксид-іонів OH– перешкоджає утворенню H

2CO

3, тобто прискорює зворотну

реакцію, яка йде справа наліво. Тому в молекулярній формі рівняння гідролізу солі K

2CO

3 можна подати так:

K CO HOH KOH KHCO2 3 3+ +� , pH > 7

Як видно з наведеного рівняння, спосте рігається утворення надлишку гідроксид-іонів у вигляді KОН, які надають розчину солі K

2CO

3 лужну реакцію, тому pH > 7.

В обох розглянутих випадках (гідроліз солі CuSO4 і гідроліз солі

K2CO

3) процес гідролізу оборотний.

• У солей, утворених катіоном слабкої основи й аніоном слабкої кислоти, у водних розчинах гідроліз відбувається як за катіоном, так і за аніоном:

Al S HOH Al(OH) H S2 3 3 26 2 3+ ↓ + ↑� , pH d 7

У цьому випадку катіон відповідає нерозчинній основі, яка під час утворення випадає в осад, а аніон — леткій кислоті, яка

104

видаляється з розчину в газоподібному стані. Значення pH роз-чину буде близьким до 7, а процес гідролізу — практично нео бо-ротним, тому що продукти гідролізу виводяться із зони реакції.У випадку гідролізу солі, утвореної слабкою кислотою та слабкою основою, pH розчину залежатиме від співвідношення сили основи й сили кислоти. Процес гідролізу відбуватиметься до утворення слабкої кислоти та слабкої основи, тобто буде практично необоротним.Підсилити процес гідролізу солей можна нагріванням або розведенням розчину солі.

Приклади розв’язування задачПриклад 1. Складіть рівняння гідролізу солі K

2S

у молекулярній та повній і скороченій йонній формах.Розв’язання

1. Під час розчинення у воді ця сіль дисоціює за рівнянням:

K S 2K S22= + −+

2. Оскільки йон S2– є аніоном слабкої сульфідної кислоти H2S,

то він взаємодіятиме з катіоном Гідрогену молекули води:

S +HOH HS +OH2− − −�Це рівняння гідролізу солі K

2S у скороченій йонній формі.

3. Тоді в повній йонній формі рівняння гідролізу солі K2S можна

записати так:

2K S HOH K HS K OH+ − + − + −+ + + + +2 �4. Якщо об’єднати йони з протилежними зарядами у відповідні

сполуки, отримаємо рівняння гідролізу солі в молекулярній формі:

K S HOH KHS KOH2 + +�Через те що внаслідок гідролізу утворюється сильна основа,

розчин стає лужним (pH > 7, середовище лужне).У цьому випадку розглянуто лише перший ступінь гідролізу солі,

на якому він, за звичайних умов, і припиняється. Це пояснюють тим, що аніон HS– дисоціює набагато слабше, ніж молекули H

2S.

Другий ступінь гідролізу можливий лише в разі розведення або нагрівання розчину H

2S.

Приклад 2. Складіть рівняння гідролізу солі ZnCl2, утвореної

слабкою основою й сильною кислотою, у молекулярній та повній і скороченій йонній формах.

Розв’язання1. Під час розчинення у воді ця сіль дисоціює за рівнянням:

ZnCl Zn 2Cl2 =+ −+2

105

2. Йон Zn2+ є катіоном амфотерного гідроксиду — цинк гідрокси-ду Zn(OH)

2, отже, він взаємодіятиме з гідроксид-іоном молекули

води:Zn HOH ZnOH H2+ + ++ +�

Це рівняння гідролізу ZnCl2 у скороченій йонній формі.

3. Рівняння гідролізу солі ZnCl2 у повній йонній формі має

вигляд:

Zn Cl HOH ZnOH Cl H Cl2 2+ − + − + −+ + + + +�

4. У молекулярній формі рівняння першого ступеню гідролізу можна подати так:

ZnCl H O ZnOHCl HCl2 2+ +�

Через те що внаслідок гідролізу утворюється сильна кислота, розчин солі є кислим (pH < 7, середовище кислотне).

Другий ступінь гідролізу за звичайних умов не відбувається, він можливий лише в разі нагрівання розчину солі ZnCl

2.

Приклад 3. Складіть молекулярне та йонні рівняння гідролізу солі CuS, яка утво рю єть ся внаслідок змішування сильно розведених розчинів натрій сульфіду (солі, утвореної слабкою кислотою й сильною основою) та купрум(II) нітрату (солі, утвореної сильною кислотою й слабкою основою):

Cu(NO) Na S CuS + 2NaNO3 2 3+ =

Аніон S2– як аніон слабкої кислоти та катіон Cu2+ як катіон слабкої основи взаємодіють з водою:

S HOH H222 2− −+ +� S OH

Cu 2HOH Cu(OH) +2H2+2

++ �

Запишемо сумарне йонно-молекулярне рівняння:

CuS H O H S Cu(OH) H O2 2+ = ↑ + ↓ +4 22 2

або

CuS H O H S Cu(OH)2+ = ↑ + ↓2 2 2

Сумарне молекулярне рівняння має вигляд:

Na S Cu(NO ) 2H O H S Cu(OH) NaNO2 3 2 2 2 2 3+ + = ↑ + ↓ + 2

Через те що продукти гідролізу H2S та Cu(OH)

2 видаляються із

сфери реакції, гідроліз CuS відбувається необоротно.

Основні поняття. Гідроліз солей.

106

Запитання та завдання °1. Як називають реакції обмінної взаємодії йонів солі з моле-

кулами води?

°2. На які чотири типи залежно від сили основи та кислоти, що їх утворили, умовно поділяють солі?

3. Яке середовище (кислотне, лужне чи приблизно нейтральне) утворю-) утворю-ється в результаті розчинення у воді солей Na

2S, BaCl

2, FeSO

4?

4. Якщо до розчинів: а) натрій нітрату; б) калій карбонату; в) цинк сульфату додати фіолетовий розчин лакмусу, то чи зміниться забарвлення? Якщо так, поясніть чому та зазначте колір розчину.

5. Складіть рівняння гідролізу натрій сульфіду та калій карбонату. Укажіть забарвлення лакмусу в кожному із розчинів та поясніть причину його появи.

6. Назвіть сіль Натрію, розчин якої має лужне середовище, і сіль нітратної кислоти, розчин якої має кислотне середовище. Складіть рівняння реакцій, які можуть відбуватися в розчинах кожної із цих солей. Яке середовище в розчині натрій нітрату?

*7. Якщо до розчину алюміній нітрату долити розчин натрій карбонату, то спостерігається виділення безбарвної газоподібної речовини та утворення осаду. Завдяки якому процесу виділяється газ і випадає осад? Складіть рівняння реакцій.

*8. Як впливає на гідроліз солей: а) підвищення температури; б) роз-ведення розчину?

*9. Складіть молекулярне та йонне рівняння гідролізу солі, утвореної сильною основою та слабкою сульфітною кислотою. Визначте харак-тер середовища. Чи можливий у цьому випадку гідроліз за другим ступенем? Якщо так, то за яких умов?

10. Розчини яких з наведених солей CuSO4, CaCl

2, K

2SiO

3, Mg(NO

3)2, K

2S

мають кислотну реакцію? Чому?

11. Які з наведених солей у водних розчинах зазнають гідролізу: калій сульфат, натрій хлорид, барій сульфід, алюміній нітрат? Яке середо-вище при цьому утворюється — кислотне або лужне?

12. Розчини яких солей мають нейтральну реакцію: K2S, MgSO

4, BaCl

2,

Fe(NO3)3? Відповідь підтвердьте рівняннями реакцій гідролізу.

13. Які з перелічених солей AlCl3, K

2CO

3, Na

2SO

4, NaNO

3, FeCl

2, Zn(NO

3)2,

зазнають гідролізу: а) тільки за катіоном; б) тільки за аніоном? Скла-діть йонні рівняння. Укажіть реакцію середовища в розчинах.

107

§ 25. Якісні реакції на хлорид-, бромід-, йодид-, сульфат-, ортофосфат-, карбонат- і силікат-іони

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якіреакціїназиваютьякісними;•якзадопомогоюякіснихреакційможнавизначитинаявністьурозчиніпев-ниханіонів.

Реакції, які супроводжуються утворенням осаду або зміною кольору розчину, називають якісними, тому що за їх допомогою можна виявити в розчинах йони певного складу (табл. 6).

Якісні реакції використовують не для кількісного, а тільки для якісного визначення однієї зі складових частин (катіона або аніона) розчину. Наведені приклади показують, як за допомогою катіонів Аргентуму(I) можна виявити хлорид-, бромід-, йодид-, сульфат- та ортофосфат-іони. За допомогою кислотно-основних індикаторів можна встановити характер середовища — кислотний, лужний або нейтральний. Існують також якісні реакції, що супроводжу-. Існують також якісні реакції, що супроводжу-ються виділенням газів із характерним запахом (H

2S, NH

3), або

забарвленням (NO2). За допомогою якісних реакцій, пов’язаних

із забарвленням полум’я пальника в разі внесення в нього певних речовин, можна визначити наявність у них катіонів Li+, Na+, K+, Ca2+, Ba2+, Cu2+ та ін.

Лабораторні досліди 7–9Якісні реакції на хлорид­, бромід­ та йодид­іониУтрипробіркизрозчиномплюмбум(ІІ)нітратудодайте:упершу—розчинкалій хлориду, у другу — розчин калій броміду, а в третю — розчинкалій йодиду.Що спостерігаєте? Складіть рівняння відповідних реакційу молекулярній та повній і скороченій йоннійформах.Зверніть увагу наколіродержанихосадів.

Лабораторні досліди 10–13Якісні реакції на сульфат­, ортофосфат­, карбонат­ та силікат­іониУ чотири пробірки налийте відповідно розчини натрій сульфату, натрійортофосфату, натрій карбонату і натрій метасилікату (Na

2SiO

3) об’ємом

приблизно1мл.Упершудодайтерозчинбарійхлориду,удругу—розчинбарійхлориду,утретю—обережнопокрапляхрозчиннітратноїкислоти,а в четверту—хлориднукислоту.Щоспостерігаєте?Складітьрівняннявідповіднихреакційумолекулярнійтаповнійіскороченіййоннійформах.Відзначтеколіртахарактерутворенихосадів,коліртазапахгазоподібноїречовини.

108

Табли

ця 6

Якіс

ні реа

кції

Склад

йон

а,

який

визн

а чаю

ть

Реа

гент

для

визн

а чен

ня

Рів

няння х

іміч

ної

реа

кції

Озн

аки,

що

свід

чать

про

пер

ебіг

якіс

ної

реа

кції

Cl– —

хлор

ид-іон

AgN

O3

Pb(

NO

3) 2

Ag

NO

KC

lA

gC

lK

NO

33

+=

↓+

Ag

NO

KC

lA

gC

lK

NO

+−

+−

+−

++

+=

↓+

+3

3

Ag

Cl

Ag

Cl

+−

+=

↓

Pb

(NO

KC

lP

bC

lK

NO

32

23

22

)+

=↓+

Pb

2N

O2

KC

lP

bC

l2

K2

NO

23

23

2+

−+

−+

−+

++

=↓+

+

Pb

Cl

Pb

Cl

22

2+

−+

=↓

Утв

орю

єтьс

я б

ілий

сирнист

ий о

сад

AgCl, р

озчинний

у р

озчині ам

оніа

ку

й н

ероз

чинний

у к

исл

отах

.

Утв

орю

єтьс

я б

ілий

крист

аліч

ний о

сад

PbC

l 2.

Br–

—

бром

ід-іон

AgN

O3

Pb(

NO

3) 2

Ag

NO

KB

rA

gB

rK

NO

33

+=

↓+

Ag

NO

KB

rA

gB

rK

NO

+−

+−

+−

++

+=

↓+

+3

3

Ag

Br

Ag

Br

+−

+=

↓

Pb

(NO

KB

rP

bB

rK

NO

32

23

22

)+

=↓+

Pb

2N

O2

KB

rP

bB

r2

K2

NO

23

23

2+

−+

−+

−+

++

=↓+

+

Pb

Br

Pb

Br

22

2+

−+

=↓

Утв

орю

єтьс

я

світ

ло-

жов

тува

тий

сирнист

ий о

сад

AgB

r.

Утв

орю

єтьс

я б

ілий

крист

аліч

ний о

сад

PbB

r 2.

109

I– —

йод

ид-іон

AgN

O3

Pb(

NO

3) 2

Ag

NO

KI

Ag

IK

NO

33

+=

↓+

Ag

NO

KI

Ag

IK

NO

+−

+−

+−

++

+=

↓+

+3

3

Ag

IA

gI

+−

+=

↓

Pb

(NO

KI

Pb

IK

NO

32

23

22

)+

=↓+

Pb

2N

O2

KI

Pb

I2

K2

NO

23

23

2+

−+

−+

−+

++

=↓+

+

Pb

IP

bI

22

2+

−+

=↓

Утв

орю

єтьс

я

жов

тий с

ирнист

ий

осад

AgI,

нер

озчинний

у к

исл

отах

і л

уга

х.

Утв

орю

єтьс

я

яск

рав

о-ж

овти

й

крист

аліч

ний о

сад.

SO

42− —

су

льф

ат-іон

BaC

l 2

Pb(

NO

3) 2

BaC

lN

aS

OB

aSO

NaC

l2

24

42

+=

↓+

Ba

2C

l2

Na

SO

BaS

O2

Na

2C

l2

424

+−

+−

+−

++

+=

↓+

+B

aS

OB

aSO

242

4+

−+

=↓

Pb

(NO

Na

SO

Pb

SO

NaN

O3

22

44

32

)+

=↓+

Pb

2N

O2

Na

SO

PbS

O2

Na

2N

O2

342

43

+−

+−

+−

++

+=

↓+

+

Pb

SO

Pb

SO

242

4+

−+

=↓

Утв

орю

єтьс

я б

ілий

крист

аліч

ний о

сад

BaS

O4,

нер

озчинний

у к

исл

отах

.

Утв

орю

єтьс

я б

ілий

крист

аліч

ний о

сад

PbS

O4.

110

Зак

інчен

ня т

абл. 6

PO

43− —

ор

тоф

ос ф

ат-

іон

AgN

O3

BaC

l 2

3A

gN

OK

PO

Ag

PO

KN

O3

34

34

33

+=

↓+

3A

g3

NO

3K

PO

Ag

PO

3K

3N

O+

−+

−+

−+

++

=↓+

+3

433

43

3A

gP

OA

gP

O+

−+

=↓

433

4

3B

aCl

KP

OB

a(P

OK

Cl

32

34

42

26

+=

↓+

)

3B

a6

Cl

6K

PO

Ba

(PO

6K

6C

l2

433

42

2+

−+

−+

−+

++

=↓+

+)

3B

aP

OB

a(P

O2

433

42

2+

−+

=↓

)

Утв

орю

єтьс

я

жов

тий

крист

аліч

ний о

сад

Ag

3РO

4.

Утв

орю

єтьс

я б

ілий

крист

аліч

ний о

сад

Ba 3

(РO

4) 2.

CO

32− —

кар

бонат

-іон

HCl (р

озв.

)2

HC

lN

aC

ON

aCl

HO

CO

+=

++

↑2

32

22

2H

2C

l2

Na

CO

2N

a2

Cl

HO

CO

+−

+−

+−

++

+=

++

+↑

322

2

2H

CO

HO

CO

+−

+=

+↑

322

2

Виділ

яєт

ься C

O2 —

га

з бе

з за

пах

у,

який н

е під

трим

ує

горін

ня.

SiO

32− —

си

лік

ат-іон

HCl (р

озв.

)2

HC

lN

aS

iOS

iON

aCl

HO

+=

↓+

+2

32

22

2H

2C

l2

Na

SiO

SiO

2N

a2

Cl

HO

+−

+−

+−

++

+=

↓+

++

322

2

2H

SiO

SiO

HO

+−

+=

↓+

322

2

Біл

ий д

раг

ле-

под

ібний о

сад S

iO2.

111

Експериментуємо вдома

•Виявлення карбонат­іонів у мінеральній водіЯкісноюреакцієюнакарбонат-іони CO3

2− і гідрогенкарбонат-іониHCO3

− єїхнявзаємодіяізсильнішимикислотами.Виділенняіз зониреакції з характерним«скипанням»карбон(ІV) оксидувказуєнанаявністьцихйонів.У стакан на третину об’єму наливають мінеральну воду й додають покрапляхстоловийоцетдопоявибульбашокгазуCO

2.

•Вирощування«неорганічногосаду»Розчинітьоднучастинузаоб’ємомсилікатногоклеюуп’ятиоб’ємахтеплоїводи.Перелийтеотриманийрозчинувеликийстаканіобережноопустітьнаднодекількавеликихкристалівмідногокупоросу (купрум(ІІ)сульфатупентагідрату),ферум(ІІІ)хлориду,розчиннихсолейХрому(ІІІ),Кобальту(ІІ),Нікелю(ІІ),Алюмінію,Кальцію.Поставтестаканнаосвітленемісце.Черездеякий час із кожного кристалу почне рости «деревце». Зверніть увагу:на верхівці кожного «деревця» є бульбашка повітря, завдяки якій воноросте догори. «Деревця» з яких солей ростуть швидше? Зростання«деревця»пояснюють гідролізомсилікатівметалічнихелементів,щоприцьомуутворюються.Плівка,зякоїутворюється«деревце»,являєсобоюгідроксидабоосновнусіль.

Основні поняття. Якісна реакція.

Запитання та завдання 1. Які хімічні реакції називають якісними? Йони яких ме та-

лічних елементів дають можливість виявляти в роз чинах йони Cl–, Br–, I–, SO4

2−, PO43−, CO3

2− та SiO32− ?

2. Як без використання інших реактивів визначити наявність у роз-чинах, що містяться в пробірках без етикеток: а) ферум(ІІІ) хлорид; б) купрум(ІІ) сульфат пентагідрат; в) магній сульфат?

3. Як розрізнити, що є в сухій суміші, яка містить: а) KCl + CuCl

2; в) NaNO

3 + Na

2CO

3;

б) NaCl + Na2SO

4; г) AgNO

3 + NaNО

3?

4. У трьох пробірках без етикеток містяться розчини цинк нітрату, натрій ортофосфату і калій сульфату. Чи є можливість визначити їх за допомогою лакмусу? Який колір матиме цей індикатор у розчинах кожної із цих солей? Чому?

5. Як визначити, у якому з трьох пронумерованих хімічних стаканів без етикеток містяться розчини натрій гідроксиду, калій сульфату, калій нітрату? Складіть рівняння реакцій у молекулярній та повній і скороченій йонній формах.

6. У трьох пронумерованих хімічних стаканах без етикеток містяться розчини кислот: хлоридної, нітратної, ортофосфатної. Як визначити хімічним шляхом, у якому зі стаканів міститься та чи інша речовина? Складіть рівняння реакцій у молекулярній та повній і скороченій йонній формах.

112

Тестові завдання 1. Розчин гліцеролу у воді не проводить електричного струму, а водний

розчин натрій гідроксиду проводить струм, тому що:А гліцерол — органічна сполука, а натрій гідроксид — неорганічна

сполукаБ натрій гідроксид у розчині дисоціює, а гліцерол не дисоціює на йониВ молекули гліцеролу містять ковалентні зв’язки, а натрій гід ро-

ксид — йонна сполукаГ гліцерол — рідина, а натрій гідроксид — тверда речовина

2. До розчину барій гідроксиду по краплях доливають розчин сульфатної кислоти. Як змінюватиметься електропровідність системи?А спочатку зменшиться, потім зростатимеБ спершу зросте, далі зменшитьсяВ поступово зростатимеГ поступово зменшуватиметься

3. Серед указаних електролітів найсильнішим є:А йодидна кислотаБ фторидна кислотаВ сульфідна кислота Г хлоридна кислота

4. У якому ряді електроліти розташовані за збільшенням ступеня дисо-ціації?А H

2SO

4, H

2S, H

2SO

3

Б HI, HCl, HBr, HFВ H

2CO

3, H

3PO

4, HNO

3

Г Ba(OH)2, Ca(OH)

2, KOH

5. Установіть відповідність між математичним виразом, позначеним цифрою, та величиною, позначеною буквою:

1 α =n

Næ100 % А водневий показник

2 wmm

(р�ни)(р�ни)(р�ну)

= ⋅100 % Б йонний добуток води

3 ks

m=

(р�ни)

г100 H O2

В масова частка розчиненої речовини

4 [H OH+ −] ][æ Г ступінь дисоціації

Ґ коефіцієнт розчинності

6. Обчисліть ступінь електролітичної дисоціації електроліту, якщо із кожних 60 його молекул 24 розпалися на йони.А 30 %Б 40 %В 50 %Г 60 %

113

7. Ступінь дисоціації електроліту дорівнює 85 %. Скільки молекул, що розпалися на йони, припадають у розчині на кожні 40 молекул електроліту?А 56Б 48В 42Г 34

8. Обчисліть ступінь електролітичної дисоціації бромідної кислоти, якщо в її розчині міститься 0,9 г йонів Гідрогену та 0,1 моль моле- 0,1 моль моле-кул, що не розпалися на йони.А 60 %Б 70 %В 85 %Г 90 %

9. Обчисліть, яка маса (у грамах) кожного йона утвориться внаслідок повної дисоціації 58,5 г кальцій дигідрогенортофосфату:

А 62 г Ca2+, 1,4 г H+, 56,1 г PO43−

Б 54 г Ca2+, 1,1 г H+, 50,3 г PO43−

В 10 г Ca2+, 1 г H+, 47,5 г PO43−

Г 24 г Ca2+, 0,7 г H+, 32,4 г PO43−

10. Обчисліть, яка маса кожного йона утвориться в результаті дисоціації магній сульфату масою 72 г, якщо ступінь дисоціації цієї солі дорівнює 60 %.

А 8,64 г Mg2+ і 34,56 г SO42−

Б 9,36 г Mg2+ і 37,44 г SO42−

В 10,08 г Mg2+ і 40,32 г SO42−

Г 10,8 г Mg2+ і 43,2 г SO42−

11. Лакмус забарвлюється в червоний колір у водних розчинах усіх речовин:А NaOH, CaCl

2, Al(NO

3)3

Б Zn(NO3)2, CuCl

2, Fe

2(SO

4)3

В K2CO

3, Na

2SO

4, NH

4NO

3

Г Ca(NO3)2, BaCl

2, KCl

12. Виявлення хлорид-іонів у розчині можливе в разі взаємодії його з розчином:А Ba(NO

3)2

Б AgNO3

В Ca(NO3)2

Г Cu(OH)2

13. Виявлення бромід-іонів у розчині можливе в разі взаємодії його з розчином:А AgNO

3

Б (NH4)2CO

3

В Na2S

Г Mg(NO3)2

114

14. Виявлення йодид-іонів у розчині можливе в разі взаємодії його з розчином:А Ca(NO

3)2

Б Zn(NO3)2

В Mg(NO3)2

Г AgNO3

15. Виявлення сульфат-іонів у розчині можливе в разі взаємодії його з розчином:А BaCl

2

Б MgCl2

В Zn(NO3)2

Г Al2(SO

4)3

16. Виявлення ортофосфат-іонів у розчині можливе в разі взаємодії його з розчином:А NaNO

3

Б NaNO3

В KNO3

Г BaCl2

17. Виявлення карбонат-іонів у розчині можливе в разі взаємодії його з розчином:А NH

4NO

3

Б HClВ NaClГ KCl

18. Виявлення силікат-іонів у розчині можливе в разі взаємодії його з розчином:А NaNO

3

Б HClВ KNO

3

Г K2S

19. Які з електролітів унаслідок електролітичної дисоціації у водному розчині утворюють хлорид-іони?А NaClOБ HClВ KClO

3

Г BaCl2

20. Які з електролітів унаслідок електролітичної дисоціації у водному розчині утворюють йони Хрому(ІІІ)?А K

2Cr

2O

7

Б Cr2(SO

4)3

В Na2CrO

4

Г CrCl2

115

21. Які з електролітів унаслідок електролітичної дисоціації у водному розчині утворюють йони Мангану(ІІ)?А MnSO

4

Б K2MnO

4

В NaMnO4

Г MnCl2

22. У результаті зливання розчинів яких із наведених речовин може відбутися хімічна реакція?А FeCl

3 + NaOH →

Б KNO3 + BaCl

2 →

В Na2CO

3 + K

2SO

4 →

Г HCl + Ca(OH)2 →

23. У результаті зливання розчинів яких із наведених речовин може відбутися хімічна реакція?А AgNO

3 + K

2S →

Б KOH + Na2CO

3 →

В H2SO

4 + Ba(NO

3)2 →

Г Na2CO

3 + LiCl →

24. У результаті зливання розчинів яких із наведених речовин може відбутися хімічна реакція?А CuSO

4 + Zn(NO

3)2 →

Б FeCl3 + KOH →

В Ba(NO3)2 + AlCl

3 →

Г Mg(OH)2 + H

2SO

4 →

25. Обчисліть масу нітрат-іонів, що містяться в 2 л розчину барій нітрату молярною концентрацією 0,2 моль/л, якщо ступінь його дисоціації 50 %.А 20,3 гБ 22,5 гВ 24,8 гГ 26,1 г

26. Обчисліть масу цинк-іонів, що містяться в 4 л розчину цинк нітрату молярною концентрацією 0,2 моль/л, якщо ступінь його дисоціації 45 %.А 23,4 гБ 28,0 гВ 26,2 гГ 28,2 г

116

Найважливіше в розділі 2Електроліти — це речовини, які у водному розчині або розплаві

розпадаються на позитивно та негативно заряджені йони і тому їхні розчини та розплави проводять електричний струм. Це ре-чо ви ни з йонним або із сильно полярним ковалентним зв’язком: солі, основи та кислоти.

Неелектроліти — це речовини з неполярними або слабко по-ляр ними ковалентними зв’язками: карбон(IV) сульфід CS

2, метан

CH4, сірка S, йод I

2, цукор, глюкоза та ін. Неелектроліти під час

розчинення або розплавлення не розпадаються на йони, тому їхні розчини та розплави електричного струму не проводять.

Електролітична дисоціація — це процес розпаду електролітів на позитивно та негативно заряджені йони у водних розчинах або в розплавах.

Механізм електролітичної дисоціації полягає в єдності проти-лежних процесів: гідратації та йонізації. У процесі гідратації утво рюються нові хімічні зв’язки (між йонами, що входять до складу сполук з йонним зв’язком, або між молекулами сполук з полярним ковалентним зв’язком і полярними молекулами води). Під час йонізації йонні та полярні ковалентні зв’язки руйнуються. Гідратація є причиною йонізації речовин у водних розчинах. У розплавах причиною йонізації твердих речовин з йонними крис -талічними ґратками є досягнення температури плавлення — окре-мої для кожної речовини.

Отже, електролітична дисоціація — процес розпаду електролітів на йони відбувається під впливом молекул розчинника або температури.

Згідно з теорією електролітичної дисоціації:

кислоти — це електроліти, під час дисоціації яких у водному розчині утворюються катіони Гідрогену й аніони кислотного залишку;

основи — це електроліти, під час дисоціації яких у водному розчині утворюються катіони металічних елементів і гідроксид-іони;

солі — це електроліти, під час дисоціації яких у водному розчині утворюються катіони металічних елементів та аніони кислотних залишків.

Ступінчаста електролітична дисоціація характерна для бага-тоосновних кислот, унаслідок цього процесу катіони Гідрогену від кислот відщеплюються послідовно, один за одним.

117

Ступінь електролітичної дисоціації — це кількісна харак-теристика сили електроліту. Вона дорівнює відношенню кількості

речовини, яка розпалася на йони (ν): αν

ν( ) ,

( )

( )x

x

x=

0

або у відсотках

αν

ν0( ) %.

( )

( )x

x

x= æ100

Електроліти, ступінь дисоціації яких більший за 30 %, нази-вають сильними, менший за 3 % — слабкими; якщо ж 3 % < α < < 30 % — це електроліти середньої сили.

Реакції між електролітами в розчинах відбуваються, якщо в результаті утворюється вода, осад або газоподібна речовина, тобто зменшується кількість йонів у розчині.

Під час складання йонно-молекулярних рівнянь хімічних ре-акцій: а) записують рівняння хімічної реакції виключно в моле-кулярній формі; б) записують рівняння хімічної реакції в повній йонно-молекулярній формі: при цьому сильні електроліти записують у вигляді йонів, а інші речовини (осади, газоподібні, слабкі електроліти, оксиди) — у молекулярній формі; в) з лівої та правої частин рівняння у повній йонно-молекулярній формі вилучають однакові йони та одержують рівняння у скороченій йонній формі.

Вода — слабкий електроліт, оскільки за температури 22 °С з 1 л води тільки 10–7 моль розпадається на йони H+ і OH–, концентра-ція їх однакова і становить [H+] = [OH–] = 10–7 моль/л.

Кислотність розчинів виражають через концентрацію йонів Гідрогену [H+]. Для зручності замість концентрації йонів Гідро-гену [H+] використовують водневий показник pH. У нейтральних водних розчинах pH = 7, у кислотних pH < 7, а в лужних pH > 7.

118

Розділ 3Окисно-відновні

та електрохімічні процеси

§ 26. Окисно-відновні реакції. Поняття про окисники та відновники

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакеокисно-відновніреакції;•якрозрізнятипроцесиокисненняйвідновлення;•щотакеокисникиівідновники.

Поняття про окисно-відновні реакції. За ознакою зміни сту­пенів окиснення елементів, що входять до складу речовин, які реагують, хімічні реакції поділяють на два типи.

До першого типу відносять реакції, що відбуваються без зміни ступенів окиснення елементів, які входять до складу речовин, що реагують. Це, наприклад, реакції нейтралізації та обміну:

KOH HCl KCl H O+ − + + − + − + −

+ = +1 2 1 1 1 1 1

2

1 2

До другого типу відносять хімічні реакції, під час перебігу яких змінюються ступені окиснення усіх або деяких елементів, що входять до складу речовин, які реагують. Такі реакції називають окисно­відновними (скорочено: ОВР):

Mg HCl Mg Cl H0 1 1 2

2

1

2

0

2+ = + ↑+ − + −

Процеси окиснення та відновлення. Окисно-відновну реакцію можна подати як сукупність двох взаємопов’язаних процесів (на-півреакцій) — окиснення та відновлення:

Mg Mg

H H

02

2

22

0

2

−+

+ +

−

−

→

→

e

e

окиснення

відновлення

Окисно-відновні реакції, як і реакції інших типів, підпорядко-вуються загальному закону природи — закону збереження маси та енергії.

Окиснення — це процес віддавання електронів атомом (йоном або молекулою), який супроводжується збільшенням їхнього сту-пеня окиснення:

Mg Mg0 2

2− →−+

e

119

Відновлення — це процес приєднання електронів атомом (йоном або молекулою), який супроводжується зниженням їхнього ступе-ня окиснення:

2H H+

−+ →1

2

0

2eСтупінь окиснення — це умовний заряд атома в речовині, який

виник би на атомі за умови, що спільні електронні пари повніс-тю змістилися б до більш електронегативного елемента. Ступінь окиснення позначають арабською цифрою зі знаком «+» або «–»

перед нею та записують над символом елемента: Cl O2

7

7

2+ −

, Zn0

, Cl2

0

.Окисники — це атоми, йони або молекули, які в даній окисно-

відновній реакції приєднують електрони (їхній ступінь окиснен-ня знижується, оскільки вони відновлюються):

O O2

0 2

4 2+ →−−

e C C0 4

4+ →−−

e Fe Fe+

−+ →3 0

3eВідновники — це атоми, йони або молекули, які в даній окис-

но-відновній реакції віддають електрони (їхній ступінь окиснен-ня збільшується, оскільки вони окиснюються):

Si Si0 4

4− →−+

e H H2

0 1

2 2− →−+

e S S−

−− →2 0

2eОкисно-відновні властивості атомів різних елементів залежать

від місця елемента в Періодичній системі та від ступеня окис-нення в сполуках. У багатьох елементів розрізняють мінімальний (найнижчий), проміжний та максимальний (найвищий) ступінь окиснення.

Демонстраційний дослідОкисно­відновні реакції

• Взаємодія заліза з розчином мідного купоросуУ конічну мікропробірку доливають на третинуїї об’єму розчин CuSO

4. Занурюють у нього заз-

далегідь знежирений та протравлений у  хло-ридній кислоті залізний цвяшок, закріплений натоненькому мідному дроті (рис. 23). Через 5  хввитягують цвяшок із розчину. Що відклалосяна його поверхні? Для яких практичних цілейвикористовуютьцюреакцію?Якіхімічнівластивостізточкизоруокисно-відновнихреакційвиявляютьйониCu2+ізалізо?Складітьрівнянняреакції.

• Взаємодія розчину калій йодиду з хлорноюводоюЦей дослід проводять під тягою!Заповнюють конічну мікропробірку на третину об’єму розчином каліййодиду й по краплинах додають хлорну воду — розчин хлору у воді.

1

2

3

Рис. 23. Взаємодія заліза з розчином купрум(II) сульфа-ту: 1 — мідний дріт; 2 — конічна мік ро-про бірка; 3 — заліз-

ний цвяшок

120

Що  відбувається? Складаючи рівняння реакції, беруть до уваги, щоокисникомунійвиступаєхлорCl

2.

• Взаємодія гідроген пероксиду із хром(ІІІ) сульфатом у лужномусередовищіУ велику пробірку наливають 2 мл розчину хром(ІІІ) сульфату, додають1,5  мл розчину натрій гідроксиду концентрацією 1 моль/л. Що спо-стерігаєте? Утворився осад зеленуватого кольору Cr(OH)

3. Додають по

краплинахрозчиннатрійгідроксидудоповногорозчиненняосаду.Потімпо краплинах доливають до розчину натрій гексагідроксохромату(ІІІ)Na

3[Cr(OH)

6], що утворився, концентрований розчин гідроген пероксиду,

щободержатинатрійхроматNa2CrO

4—речовинужовтогокольору:

2Na [Cr(OH )]+3H O = 2Na CrO +2NaOH+8H O3 6 2 2 2 4 2

• Взаємодія калій дихромату з гідроген пероксидом у кислотномусередовищіУ велику пробірку, що містить 3 мл концентрованого розчину гідрогенпероксиду, доливають 2мл розведеного розчину сульфатної кислоти та4млдиетиловогоетеру.Сумішдобреперемішуютьскляноюпаличкоюйдодаютьдонеї0,5млрозчинукалійдихромату.Зновуперемішуютьсуміші спостерігаютьпоявухромпероксиду—речовинисиньогокольору:

4H O +K Cr O +H SO =K SO +3H O+2[CrO(O ) H O]+2 2 2 2 7 2 4 2 4 2 2 2⋅хром пероксид

22O2

Приклади розв’язування задачПриклад 1. Визначте ступінь окиснення підкреслених

елементів, що входять до складу речовин або йонів:

а) NH Cl;4 б) H PO ;3 4 в) KClO ;3 г) Ca(NO ) ;3 2 ґ) SO ;3 д) NO ;2−

е) Na SO .2 4

Розв’язанняДля відповіді на це запитання треба пам’ятати, що в сполуках: по-перше, сума ступенів окиснення всіх елементів дорівнює

нулю, а в йонах — заряду йона; по-друге, ступінь окиснення Гід-йонах — заряду йона; по-друге, ступінь окиснення Гід-; по-друге, ступінь окиснення Гід-по-друге, ступінь окиснення Гід-, ступінь окиснення Гід-

рогену дорівнює +1, Оксигену (крім пероксидів H O2

1

2

1+ −

та фторидів

OF+2

2, O F2

1

2

+

) — –2, Li, Na, K — +1, Be, Mg, Ca, Ba — +2, Феруму — +2 або +3.

Позначимо ступені окиснення підкреслених елементів x та обчислимо їхні значення:

а) NH Cl:x

x4

1 1

1 4 1 0+ −

+ + − =( ) ;æ x = –3. Ступінь окиснення галоге-нів (Е): Флуору, Хлору, Брому та Йоду в сполуках MeЕ та NH

4E

дорівнює –1, де Me — це Li, Na, K, Rb, Cs;

121

б) H PO :3

1

4

2

1 3 2 4 0+ −

+ ⋅ + + − ⋅ =x

x( ) ( ) ; x = +5;

в) KClO :+ −

+ + + − =1

3

2

1 2 3 0x

x( ) ( ) ;æ x = +5;

г) Ca NO+ −

+ + + − =2

3

2

2 2 2 2 3 0( ) : ( ) ( ( ) ) ;x

x æ x = +5;

ґ) SOx

x3

2

2 3 0−

+ − =: ( ) ;æ x = +6;

д) NOx

x2

2

2 2 1−−

+ − = −: ( ) ;æ x = +3;

е) Na SO2

1

4

2

1 2 2 4 0+ −

+ + + − =x

x: ( ) ( ) ;æ æ x = +6.

Приклад 2. Визначте, які властивості — окисника чи від нов-ника — виявляють Mn, S, N у результаті переходів:

а) Mn O MnO;2 7 → б) S SO ;→ 3 в) NH NO.3 →Розв’язання

а) Знаходимо ступені окиснення елементів у сполуках:

а) Mn O MnO;2

7

7

2+ +

→ б) S S O ;0 6

3→+

в) NH NO.− +

→3

3

2

У переході а) Mn O MnO2 7 → ступінь окиснення Мангану зменшується від +7 до +2. Отже, такий перехід супроводжується приєднанням Манганом електронів, тому це процес відновлення, а Манган — окисник.

У переході б) S S O0 6

3→+

ступінь окиснення Сульфуру збільшується від 0 до +6. Отже, цей перехід супроводжується збільшенням ступеня окиснення за рахунок віддавання Сульфуром електронів, тому це процес окиснення, а Сульфур — відновник.

У переході в) NH NO− +

→3

3

2

ступінь окиснення Нітрогену збільшується від –3 до +2 за рахунок віддавання електронів. Це процес окиснення, у якому Нітроген — відновник.

Основні поняття. Окисник. Відновник. Окиснення. Віднов лен-ня. Окисно-відновна реакція.

Для допитливих

Які бувають окисники та відновникиОднимізнайпоширенішихокисниківєкисень.Трохисильнішимокисником є озон O

3, що утворюється в земній атмосфері

внаслідок ультрафіолетового опромінювання кисню. Озон здатнийокиснювати речовини, які з киснем за звичайних умов не реагують,наприкладнітроген(IV)оксидісрібло:

2NO2 + O

3 = N

2O5 + O

2

2Ag + 2O3 = Ag

2O

2 + 2O

2

Найсильнішим окисником серед простих речовин є фтор F2. Але він

дуже активний, тому його важко одержати у вільному стані. Через це

122

в  лабораторіях як окисник використовують калій перманганат KMnO4.

Його окисні властивості залежать від концентрації розчину, темпера-тури та характеру середовища (нейтрального, кислотного чи лужного).ЗастосовуютьтакожкалійдихроматK

2Cr

2O

7,нітратнукислотуHNO

3,гід-

рогенпероксидH2O

2.Найсильнішийз усіх відомихокисників—оксиген

флуоридOF2.

Найпоширеніший у природі відновник— вуглецьC. Його активно вико-ристовуютьупромисловостідляодержанняметалівзїхніхоксидів: Fe

2O3+3C = 2Fe+3CO ZnO + C = Zn + CО

Водень,яківуглець,підчаснагріваннялегковідновлюєоксидибагатьохметалічнихелементів,перетворюючисьприцьомунаводу: CuO + H

2 = Cu + H

2O WO

3+3H

2 = W+3H

2O

Дуже сильними відновниками є лужні та лужноземельні метали. Вонивідновлюютьнавітьводу,витискуючизнеїводень:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H

2

На практиці відновними властивостями металів користуються длядобуваннядеякихактивнихметалівзїхніхоксидівабохлоридів: 3BaO + 2Al=3Bа + Al

2O3 TiCl

4 + 2Mg = Ti + 2MgCl

2

У лабораторних умовах як відновники використовують сполуки, які

містять елементи в низьких ступенях окиснення: H S2

2− (–2 — нижчий

ступіньокисненняСульфуру),H I1−

(–1—нижчийступіньокисненняЙоду).Ворганічномусинтезідлявідновлення,якправило,використовують такзвані комплексні сполуки, які містять Гідроген у найнижчому ступені

окиснення–1:Li[AlH4

1−

] —літійтетрагідрогеналюмінат(ІІІ),Na[BH4]—натрій

тетрагідрогенборат(ІІІ).Найслабшим відновником є фторид-іон F–. Окиснити його до вільного

фтору 2F -2 =F2

0− −e можливолишезадопомогоюелектролізу.

Запитання та завдання

°1. Які хімічні реакції називають окисно-відновними?

°2. Який процес називають окисненням, а який — відновленням?

°3. Що розуміють під ступенем окиснення будь-якого елемента в речо-вині? Як його позначають?

°4. Які складові частинки речовини називають окисниками, а які — відновниками?

5. Визначте ступені окиснення елементів, що входять до складу речовин: а) Cl

2, FeCl

3, NaClO

4, Mn

2O

7, K

2Cr

2O

7, CS

2; б) Al(HCO

3)3, Ca(MnO

4)2,

(NH4)3PO

4, BaO

2, Cu

2O, Fe(OH)(NO

3)2.

6. Укажіть речовину-окисник і речовину-відновник у схемах реакцій:

а) Na + N2 → Na

3N; в) C + H

2O → CO + H

2 ;

б) Al + H2S → Al

2S

3 + H

2 ↑; г) NO + O

2 → 2NO

2 .

123

7. Які з реакцій є окисно-відновними: а) H

2S = H

2 + S; в) Ba(NO

3)2 = Ba(NO

2)2 + O

2?

б) FeO + 2HCl = FeCl2 + H

2O;

8. Які з реакцій є окисно-відновними: а) KHCO KOH K CO H O;3 2 3 2+ → + в) Al(NO Al O NO O3 3 2 3 2 2) ?→ + + б) Fe(OH) O H O Fe(OH)2 2 2 3+ + → ; Складіть для них хімічне рівняння та розставте коефіцієнти. Для

кожної з напівреакцій укажіть, яка речовина є окисником, а яка — відновником, яка речовина відновлюється, а яка — окиснюється.

9. Яку кількість електронів приєднує чи втрачає Нітроген у ре зультаті перетворень:

а) нітрат-іон → нітрит-іон; в) нітроген(ІІ) оксид → б) азот →нітроген(ІІ) оксид; →нітроген(ІV) оксид? 10. Які з йонів і молекул Cl–, Fe2+, Ca2+, O

2 можуть виступати в окисно-

відновних реакціях тільки як окисники? тільки як відновники? як окисники, так і відновники?

*11. У результаті реакції H S SO S H O2 2 2+ → + одержали сірку масою 12 г. Які об’єми (н. у.) гідроген сульфіду та сульфур(IV) оксиду витратили в ході цієї реакції?

*12. Ферум оксид масою 16 г відновили карбон(ІІ) оксидом, узятим об’ємом 6,72 л (н. у.), до заліза. Оксид Феруму якого складу було взято?

Лев Володимирович Писаржевський(1874–1938)

Український хімік, академік, автор теорії окисно-відновних реакцій, в основі якої уявлення про перехід електронів від одних частинок до інших. Він також заклав основи електронної теорії каталітичних проце-сів. Засновник і перший директор Інституту фізичної хімії Національної академії наук України, який но-, який но-сить його ім’я.

§ 27. Залежність окисно-відновних властивостей речовин від ступеня окиснення елементів

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якіелементивиявляютьвідновнівластивості,аякі—окисні;•щотакеокисно-відновнаподвійністьівідчоговоназалежить.

Тільки відновні властивості виявляють металічні еле­менти, які в простих речовинах перебувають у найнижчому

ступені окиснення, що дорівнює 0 (Na0

, Ca0

, Zn0

, Cu0

, Al0

та ін.), а також неметалічні елементи, що входять до складу речовин

124

у найнижчому ступені окиснення. Як пра вило, він дорівнює різниці між числом 8 (максимальною кількістю електронів на зовнішньому енергетичному рівні) і номером групи елемента в Періо дичній системі, наприклад:

CH−4

4, NH−3

3, HCl−1

, H O2

2−

, NaH−1

тощо.Тільки окисні властивості виявляють металічні та

неметалічні елементи, які в сполуках перебувають у най­вищому ступені окиснення, що дорівнює номеру групи елемента в Періодичній системі:

Mn+7

2 7Ο , CrO+6

3, V O2

5

5

+

, TiO+4

2, Al O2

3

3

+

, Ca O+2

,

Cl O2

7

7

+

, S O+6

3, N O2

5

5

+

, CO+4

2, B O2

3

3

+

та ін.Якщо елемент перебуває в проміжному ступені окиснення,

тобто не у вищому і не в найнижчому, то залежно від другого учасника окисно-відновної реакції він здатен виявляти як відновні, так і окисні властивості, тобто окисно­відновну подвійність властивостей, наприклад:

CO H CH H O+ −

+ = +2

2

4

4 23окисник

2 22

2

4

2CO O CO+ +

+ =відновник

MnO H Mn H O+

+ = +2

2

0

2окисник

2 22

2

4

2MnO O MnO+ +

+ =відновник

Окисно-відновні властивості елементів залежать також і від їхнього місця в Періодичній системі, тобто від номера періоду та групи — A чи Б (головної чи побічної підгрупи). Так, у періодах зі збільшенням атомного номера елемента зростає заряд ядра атома, а кількість енергетичних рівнів залишається незмінною. Це спри- незмінною. Це спри-незмінною. Це спри-. Це спри-чиняє зменшення атомного радіусу та посилення зв’язку зовнішніх (валентних) електронів з ядром, тому відновні властивості еле-ментів послаблюються.

У головних підгрупах (підгрупах A) зі збільшенням номера пе-рі оду збільшується радіус атома та послаблюється зв’язок вален-тних електронів з ядром, тобто тих електронів, що беруть участь в окисно-відновних реакціях. Через це відновні властивості елементів зростають. Отже, сильніші відновні властивості харак-терні для металічних елементів IA-групи.

Приклад розв’язування задачЯкі властивості — окисника, відновника чи окисно-

відновну подвійність властивостей — можуть виявляти підкреслені елементи: а) Mn, MnO

2, KMnO

4; б) H

2S, SO

2,

H2SO

4 в окисно-відновних реакціях?

125

Розв’язанняДля відповіді на це запитання треба спочатку визначитися, про

який елемент — металічний чи неметалічний — ідеться мова. Потім на основі значень ступеня окиснення елемента — нижчого, вищого або проміжного виявити його властивості.

У першій групі речовин Mn — це металічний елемент, тому найнижчий ступінь окиснення, у якому він виявляє тільки відновні властивості, дорівнює 0, а найвищий, у якому він виявляє тільки окисні властивості, дорівнює номеру групи в Періодичній системі елементів, тобто +7. Усі інші ступені окиснення Мангану в сполуках проміжні, тобто в них він виявляє окисно-відновну подвійність властивостей, наприклад:

Mn0

характерні тільки відновні властивості

MnO Mn(OH) MnSO Mn O Mn (SO MnO K MnO+ + + + + + +2 2

2

2

4 2

3

3 2

3

4 3

4

2 2

6

, , , , ) , , 44

Характерна окисно�відновна подвійність властивостей� ���������������� ���������������

Mn O HMnO KMnO2

7

7

7

4

7

4

+ + +

, ,Характерні тільки окисні властивоості� ������ ������

У другій групі речовин S — це неметалічний елемент, тому його найнижчий ступінь окиснення дорівнює різниці між номером групи та числом 8, тобто: 6 – 8 = –2. Найвищий ступінь окиснення Сульфуру дорівнює номеру групи в Періодичній системі, тобто +6. У разі проміжних значень ступеня окиснення в сполуках Сульфур в окисно-відновних реакціях виявляє окисно-відновну подвійність властивостей, наприклад:

H S Na S .2

2

2

2− −

, та інХарактерні тільки

відновні властивості

�� ���� ����

SO Na SO NH SO+ + +4

2 2

4

3 4 2

4

3, , ( )Характерна окисновідновна

подввійність властивостей

� ������ ������

SO H SO K SO K S O+ + + +6

3 2

6

4 2

6

4 2 2

6

7, , ,Характерні тільки окисні ввластивості

� ������� �������

Основні поняття. Відновні властивості. Окисні властивості. Окисно-відновна подвійність властивостей.

Запитання та завдання 1. Які властивості виявляють металічні і неметалічні елемен-

ти, що мають ступінь окиснення 0: Al0

, K0

, Ca0

, Cu0

, N2

0

,

Cl2

0

, S0

, C0

?

126

2. Які властивості виявляють металічні і неметалічні елементи, якщо

вони виявляють найвищий ступінь окиснення: Na S O2

1 6

4

+ +

, HNO+ +1 5

3,

KClO+ +1 7

4, Cr O+6

3, Mg O+2

? 3. Що розуміють під поняттям «проміжний ступінь окиснення елемен-

та»? Які властивості здатний виявляти елемент в окисно-відновних

реакціях, якщо вихідною речовиною буде його оксид: CO+2

, Cu O2

1+

,

SO+4

2, Cr O2

3

3

+

, MnO+4

2, N O2

3

3

+

? Чому? 4. Які з елементів третього періоду Періодичної системи можуть бути:

а) тільки відновниками; б) як окисниками, так і відновниками? 5. За схемами перетворення речовин складіть схему переходу електронів

для елементів, у яких змінюються ступені окиснення, та зазначте їхні властивості (тільки окисника, тільки відновника, як окисника, так і відновника):

а) H2SO

4 → S; б) Cr

2O

3 → K

2CrO

4; в) CH

4 → C; г) FeS → SO

2;

KNO3 → N

2; KMnO

4 → MnO; O

2 → H

2O

2; KClO

3 → Cl

2.

§ 28. Складання рівнянь окисно-відновних реакцій

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакеметоделектронногобалансуйначомувінґрунтується;•якскладатирівнянняокисно-відновнихреакційметодомелектронногоба-лансу.

Окисно-відновні реакції завжди супроводжуються переходом елек тронів від відновника до окисника. Причому кількість електронів, відданих відновником, завжди дорівнює кількості електронів, отриманих окисником.

На цьому ґрунтується добір коефіцієнтів в окисно-відновних реакціях, який має назву метод електронного балансу. Розгля-немо його застосування на прикладах.

Приклади розв’язування задачПриклад 1. Складіть методом електронного балансу

рівняння окисно-відновних реакцій: а) магнію з киснем; б) алюмінію з розведеною хлоридною кислотою; в) міді з розведеною нітратною кислотою.

Розв’язання Спочатку складаємо схему реакції та визначаємо ступені окис-

нення всіх хімічних елементів, що входять до складу як вихідних речовин, так і продуктів реакції. На основі цього виявляємо елементи, що змінили ступені окиснення. Кожен етап складання рівнянь будемо нумерувати римськими цифрами.

127

а) Пам’ятаємо, що Магній у сполуках завжди виявляє ступінь окиснення +2, а атом Оксигену, як правило, –2.

I. Mg O MgO0

2

0 2 2

+ →+ −

Складаємо електронні рівняння напівреакцій окиснення і від-нов лення, зазначивши кількість відданих і прийнятих елек-тронів, що беруть у них участь:

II Mg Mg.0 2

2− =−+

e — відновник, тому що після реакції його сту-пінь окиснення зростає;

O O2

0 2

4 2+ =−−

e — окисник, тому що після реакції його ступінь

окис нення знижується (число 2 перед O−2

ставимо, оскільки в ре-ак цію вступає двоатомна молекула O

2).

Щоб зрівняти кількість відданих і прийнятих електронів, зна ходимо найменше спільне кратне (НСК). На його основі визначаємо коефіцієнти перед відновником та окисником у су-марному рівнянні реакції:

Mg – 2e– = Mg0 +2

O2 + 4e– = 2O

4III. 0 –2

2

1

ÍÑÊ êîåô³ö³ºíòè

Переносимо їх у схему реакції та ставимо перед продуктами окиснення й відновлення, а потім перед окисником і відновником:

2 22Mg O MgO+ =

б) I. Al HCl AlCl H0 1 1 3

3

1

2

0

+ → ++ − + −

II. Al Al0 3

3− =−+

e — відновник

2 21

2

0

H H+

−+ =e — окисник

Al – 3e– = Al0

+1 0

+3

2H + 2e– = H2

62

3III.

IV. Al H Al H2 6 2 30 1 3

2+ = ++ +

V. Al HCl AlCl H2 6 2 33 2+ = +

в) I. Cu HNO . Cu NO NO H O0 1 5

3

2 2 5

3

2

2

2 2

2

1

+ = + ++ + − + + − + − +

( ) ( )розв

II. Cu Cu0 2

2− =−+

e — відновник

N N+

−+

+ =5 2

3e — окисник

128

III. Cu Cu

N N

0 2

5 2

2

3

63

2

− =

+ =

−+

+−

+

e

e

IV. Cu N Cu N3 2 3 20 5 2 2

+ = ++ + +

V. Cu HNO . Cu(NO NO H O3 2 3 2 33 3 2 2+ = + +( ) )розв

У цій реакції на окиснення Купруму витрачається 2 молекули нітратної кислоти, а ще 6 молекул HNO

3 ви трачається на

утворення солі Cu(NO3)2, тобто всього 8 молекул.

VI. Cu HNO . Cu(NO NO H O3 8 3 23 3 2 2+ → + +( ) )розвПеревірка числа атомів Гідрогену в обох частинах схеми показує, що для їх зрівняння у лівій і правій частинах рівняння перед формулою H

2O треба поставити коефіцієнт 4.

VII. Cu HNO . Cu(NO NO H O3 8 3 2 43 3 2 2+ = + +( ) )розв

Приклад 2. Складіть методом електронного балансу рівняння окисно-відновних реакцій: а) взаємодії марганцю з нітратною кис-лотою; б) взаємодії марганцевої та хлоридної кислот.

Розв'язанняІ. Записуємо схеми реакцій і визначаємо ступені окиснення всіх

елементів:

а) Mn HNO Mn NO NO H O0 1 5

3

2 2

3 2

2 2

2

1 2

+ → + ++ + − + + − + −

( )

б) HMnO HCl MnCl Cl H O+ + − + − + − + −

+ → + ↑ +1 7

4

2 1 1 2

2

1

2

0

2

1 2

ІІ. Визначаємо елементи, що змінили ступінь окиснення. На основі цього складаємо електронні рівняння з подальшим визначенням НСК і коефіцієнтів для окисника та відновника:

а) Mn Mn

N N

0 2

5 2

2

3

63 —

2 —

− →

+ →

−+

+−

+

e

e

відновник

окисник

б) Mn Mn

Cl Cl

+−

+

− −

+ →

− →

7 2

2

0

5

2 210

2 —

5 —

e

e

окисник

відновник

ІІІ. Підставляємо знайдені коефіцієнти в схему реакції:

а) 3Mn + HNO3 → 3Mn(NO

3)2 + 2NO + H

2O

б) 2HMnO4 + HCl → 2MnCl

2 + 5Cl

2↑ + H

2O

IV. Зрівнюємо кількість речовини кислот, тому що вони висту-пають у двох ролях: а) як окисник і як солеутворювач; б) як відновник і як солеутворювач. Іншими словами, підсумовуємо кількість речовини кислот, які взяли участь в обох процесах:

129

а) 2 моль HNO3 витрачено на утворення NO та 6 моль — на

утворення Mn(NO3)2, тобто 2 + 6 = 8 моль, тому перед НNO

3

ставимо коефіцієнт 8, а перед H2O — коефіцієнт 4 для

зрівнювання кількості атомів Гідрогену:

3Mn + 8HNO3 = 3Mn(NO

3)2 + 2NO + 4H

2O

б) 10 моль HCl витрачено на утворення 5 моль Cl2 і 4 моль — на

утворення солі 2MnCl2, тому перед HCl ставимо коефіцієнт 14,

а перед H2O — коефіцієнт 8:

2HMnO4 + 14HCl = 2MnCl

2 + 5Cl

2 ↑ + 8H

2O

Приклад 3. Складіть методом електронного балансу рівняння окисно-відновних реакцій: а) взаємодії сульфідної кислоти з калій перманганатом; б) взаємодії цинку із сульфатною кислотою.

Розв’язання

а) I. H S KMnO S MnO KOH H O2

1 2 1 7

4

2 0 4

2

2 1 2 1

2

1 2+ − + + − + − + − + + −

+ → ↓+ ↓ + +

II.

S S

Mn Mn

−−

+−

+

− →

+ →

2 0

7 4

2

3

63

2

e

e

ІІІ. 3 2 22 4 2 2H S KMnO 3S MnO KOH H O+ → ↓+ ↓ + +ІV. Визначаємося з кількістю речовини: KOH — 2 моль і води — 2 моль. Відповідно до кількості атомів Гідрогену в лівій частині схеми реакції запишемо рівняння:3 2 2 2 22 4 2 2H S KMnO 3S MnO KOH H O+ = + + +

б) I. Zn H S O . ZnSO H S H O0

2

6

4

2

4 2

2

2+ → + ++ + −

( )конц

II. Zn Zn

S S

0 2

6 2

2

8

84

1

− →−+

+−

−

+ →

e

e

III. 4 2 4 4 2 2Zn H SO 4ZnSO H S H O+ → + +(конц.)

IV. 4 5 42 4 4 2 2Zn H SO 4ZnSO H S H O+ = + +( .)конц

Основні поняття. Метод електронного балансу. Напівреакції окиснення й відновлення.

Для допитливихДеякіокисно-відновніреакціїсупроводжуютьсязміноюступенівокисненняелементівнетількидвох,якубільшостівипадків,айтрьохабощебільшеелементів.Якприкладрозглянемореакціюокисненнякупрум(І)сульфіду:

Cu S+O CuO+ SO2

+1 -2

2

0 +2 -2 +4

2

-2

→

130

Cтупені окиснення змінюються, тобто в реакції беруть участь водночас

триелементи.ПрицьомувідновникамиєCu+1

і S,-2

аокисником —O.0

Дляскладаннярівнянняреакціїметодомелектронногобалансупідсумовуємотарозглядаємоціелементиякучасниківоднієїнапівреакціїокиснення:

2Cu – 2e– = 2Cuнапівреакція окиснення

напівреакція відновлення

+2+1

S – 6e– → S+4–2

O2 + 4e– = 2O

8e–0 –2

1

2

Cu S+2O 2CuO+SO2 2 2=

Запитання та завдання

°1. У якій послідовності треба складати рівняння окисно-відновних реакцій, якщо відомий склад як вихідних речо-вин, так і продуктів?

°2. Що таке напівреакції окиснення і відновлення?

°3. Який метод складання рівнянь окисно-відновних реакцій називають методом електронного балансу?

°4. Чи завжди кількість електронів, відданих відновником, дорівнює кількості електронів, отриманих окисником?

5. Складіть рівняння реакції горіння алюмінію в кисні. Яка із цих речовин окиснюється, а яка відновлюється в процесі реакції?

6. Складіть рівняння реакції взаємодії водню з хлором, киснем, натрієм (NaH), кальцієм (CaH

2), сіркою. Назвіть у них окисник і відновник.

7. Складіть рівняння напівреакцій та в цілому рівняння окисно-від-новних реакцій, укажіть у них окисник і відновник:

а) H2 + Na

2SO

4 → Na

2S + H

2O; г) CaCl

2 + Al → Ca + AlCl

3;

б) Li2O + Si → Li + SiO

2; ґ) CaC

2 → Ca + C;

в) K + KOH → K2O + H

2; д) Al

4C

3 + O

2 → Al

2O

3 + CO

2.

8. Доберіть коефіцієнти в кожній схемі реакції методом електронного балансу:

а) KClO3 → KCl + O

2; г) I

2 + HNO

3 → HIO

3 + NO + H

2O;

б) Cu(NO3)2 → CuO + NO

2 + O

2; ґ) H

2S + O

2 → SO

2 + H

2O.

в) Na2SO

3 → Na

2SO

4 + Na

2S;

*9. Який об’єм гідроген сульфіду (н. у.) виділиться в результаті дії на цинк масою 60 г розчину H

2SO

4 з масовою часткою кислоти 96 %, якщо ре-

акція відбувається за схемою Zn H SO . ZnSO H S H O?+ → + +2 4 4 2 2( )конц

*10. Який об’єм гарячої хлоридної кислоти з w(HCl) = 36 % і густиною 1,18 г/мл прореагував з K

2CrO

4, якщо отримали 3,36 л (н. у.) хлору

внаслідок реакції за схемою K CrO HCl CrCl Cl KCl H O?2 4 3 2 2+ → + + +

131

§ 29. Найважливіші окисно-відновні реакції

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якіокисно-відновніреакціївідносятьдонайважливіших;•пророльокисно-відновнихпроцесівужиттілюдини.

Найважливіші окисно-відновні реакції

І. Добування металів з оксидів — це процес відновлення їхніх оксидів, який відбувається під час нагрівання:

а) Fe O CO Fe CO3 4 2+ → +t

( )FeO Fe O CO Fe CO+ + + − + −

+ → +2

2

3

3

2 2 0 4

2

2

æt

Fe ∙ 2Fe + 8e– = 3Fe+2

+2 +4

+3 0

Ñ – 2e– → Ñ8

1 — îêèñíèê

4 — â³äíîâíèê

Fe O CO Fe CO3 4 24 3 4+ = +

б) MnO C Mn CO+ +

+ → +4

2

0 0 4

2

t

Mn + 4e– → Mn+4

0 +4

0

Ñ – 4e– → Ñ4

1

1

MnO C Mn CO2 2+ = +

в) CuO H Cu H O+

+ → +2

2

0 0

2

t

Cu + 2e– → Cu+2

+1 +1

0

H2 – 2e– → 2H

21 — îêèñíèê

1 — â³äíîâíèê

CuO H Cu H O+ = +2 2

ІІ. Взаємодію металів з кислотами можна описати такими рівняннями:

а) 2 6 2 30 1 3

3 2

0

Al HCl AlCl H+ = + ↑− +

Al – 3e– → Al3+0

0

2H+ + 2e– → H2

63 — îêèñíèê

2 — â³äíîâíèê

б) 3 4 3 40

2

6

4

2

4

0

2Zn H S O . ZnSO S H O+ = + ++ +

( )конц

Zn – 2e– → Zn2+0

0+6

S + 6e– → S6

1 — îêèñíèê

3 — â³äíîâíèê

ІІІ. Взаємодія лужних і лужноземельних металів з водою з утворенням відповідних гідроксидів металічних елементів і виділенням водню:

132

а) K H O KOH H0

2

1 2 1 2 1

2

0

+ → ++ − + − +

K – 1e– → K0 +1

0+1

2H + 2e– → H2

21 — îêèñíèê

2 — â³äíîâíèê

б) Ca H O Ca(OH) H0

2

1 2

2 2

0

+ → ++ +

Ca – 2e– → Ca0 2+

0+1

2H + 2e– → H2

21 — îêèñíèê

1 — â³äíîâíèê

Оскільки внаслідок реакції утворюються чотири атоми Гідрогену, перед формулою H

2O треба поставити коефіцієнт 2:

2K H O KOH H+ = + ↑2 22 2 Ca H O Ca(OH) H+ = + ↑2 2 2 2

IV. Процес горіння проілюструємо на прикладі метану:

CH O CO H O− + + − + −

+ → +4

4

1

2

0 4

2

2

2

1 2

C – 8e– → C–4 +4

–20

O2 + 4e– → 2O

82 — îêèñíèê

1 — â³äíîâíèê

CH 2O CO H O− +

+ → +4

4

1

2 2 2

У реакцію вступають чотири атоми Гідрогену та чотири атоми Оксигену, тому перед формулою H

2O треба поставити коефіцієнт 2:

CH O CO H O4 2 2 22 2+ = +Роль окисно-відновних процесів у житті людини. Першу окисно-

відновну хімічну реакцію людина здійснила, коли навчилася добувати вогонь. З того часу процеси горіння, а отже, і окисно-відновні процеси посідають одне з провідних місць у повсякденному житті. Це вони сприяють появі тепла в домі, школах, установах, надають руху автомобілям, теплоходам, літакам, ракетам, дають змогу добувати цінні речовини з природних сполук.

Окисно-відновні реакції відіграють важливу роль у природі. Прикладом є реакція фотосинтезу, що відбувається в рослинах, і процеси дихання й перетравлювання їжі в організмах тварин та людини.

Запитання та завдання 1. Під час добування металів з оксидів відбувається процес

їхнього окиснення чи відновлення? Наведіть приклади окисно-відновних реакцій.

2. Взаємодія металів з розведеними кислотами, наприклад із хло-ридною кислотою, лужних і лужноземельних металів з водою су-проводжується відновленням якого з елементів?

3. Який елемент відновлюється в процесі горіння на повітрі? 4. У якій із реакцій змінюються ступені окиснення еле ментів:

а) BaO + H2O = Ba(OH)

2; б) Ba + 2H

2O = Ba(OH)

2 + H

2 ↑?

133

5. У якій із реакцій розкладу змінюються ступені окиснення елементів:

а) CaCO CaO CO3 2= + ↑t°

; б) 2CaSO CaO SO O4 2 22 2= + ↑ + ↑t°

? *6. Визначте об’єм (н. у.) водню, який виділиться в результаті реакції

металічного натрію масою 6,9 г з водою. *7. Який об’єм (н. у.) кисню треба витратити, щоб спалити гідроген

сульфід об’ємом 44,8 л? Складіть методом електронного балансу рівняння ОВР, скориставшись схемою H

2S + O

2 → SO

2 + H

2O.

8. Визначте окисник і відновник у реакції магнію з киснем. Складіть рівняння напівреакцій окиснення та відновлення.

9. Визначте окисник і відновник у реакції відновлення купрум(II) окси-ду воднем. Складіть рівняння напівреакцій окиснення та віднов-лення.

§ 30. Електрохімічні процеси. Електроліз. Закони Фарадея

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якіпроцесивідносятьдоелектрохімічних;•якийокисно-відновнийпроцесназиваютьелектролізом;•прозакониФарадея,кількісніхарактеристикипроцесуелектролізу.

Електрохімічні процеси. Практично всі метали більшою або меншою мірою розчиняються у воді.

Що відбувається на поверхні металевої пластинки, якщо її занурити у воду? У воду переходять позитивно заряджені йони металічного елемента, а поверхня самої пластинки (унаслідок по яви на ній надлишку електронів) заряджується негативно (рис. 24). Гідратовані позитивно заряджені йони металічного еле-мен та накопичуються біля поверхні плас-тин ки — на межі розділу двох фаз (метал — во да). У результаті вини кає подвійний елект ричний шар, який характеризується певною різницею елек тро статичних потен-ціалів:

Me H O Me(H O)пластинка гідратовані йони

металічногоелеме

+ +m mn

2 2�

ннта

розчин

пластинка

� ����� �����

+ −ne

Процеси, що відбуваються на межі двох фаз за участі заряджених частинок — йонів та електронів, наприклад у разі занурення металевої пластинки у воду, відносять до електрохімічних.

Me

H2O

+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –

Men+– +– +– +– +– +– +– +–

+

e–

Рис. 24. По двій ний елек трич ний шар на по верхні металевої пла с тинки, яку зану-

рили у воду

134

Поняття про електроліз як окисно-відновний процесОкисно-відновний процес, що відбувається під час проходження

постійного електричного струму крізь розплав або розчин елек-троліту, називають електролізом.

Під час перебігу цього процесу в ус-таткуванні, яке називають елек тро­лізером (рис. 25), електрична ене ргія перетворюється на енергію хімічну.

На негативно зарядженому елек-троді, який називають катодом, від-бувається процес відновлення каті-онів, наприклад у розчині CuCl

2 це

катіони Cu2+:

( ) :− + →+ −К Cu Cu2 02e

На позитивно зарядженому елек-троді, який називають анодом, від-бувається процес окиснення аніонів указаного електроліту, тобто аніо-нів Cl–:

( ) :+ − →− −A 2 2 20Cl Cle

Як показано на рис. 25, для проведення електролізу необхідне, крім електроліту, джерело постійного електричного струму, а також електроди — катод і анод. Аноди поділяють на інертні (нерозчинні, що їх виготовляють, як правило, із графіту або вугілля) та активні (розчинні) — для них використовують метали Zn, Cu, Ni, Ag та ін. У разі використання активних анодів відбувається розчинення металевого анода під дією постійного електричного струму. При цьому катіони вказаних металічних елементів переходять у розчин, наприклад:

(+) A: Cu0 – 2e– → Cu2+

Потім ці катіони прямують до катода, де відновлюються:

(–) К: Cu2+ + 2e– → Cu0

У разі електролізу електролітів із застосуванням інертних електродів приблизно за однакових умов відновлення катіонів металічних елементів відбувається по-різному. Так, катіони, утворені металами, що стоять в ряду стандартних електродних потенціалів (СЕП) від літію до алюмінію, на катоді не відновлюються. На катоді відбувається відновлення тільки молекул води:

(–) К: 2H2O + 2e– → H

2 + 2OH–

Êàòîä(–)

Àíîä(+)

e–

Cl–

Cu2+

Ðîç÷èí åëåêòðîë³òó CuCl2

Рис. 25. Схема електролізу розчину купрум(ІІ) хлориду

135

Якщо катіони утворені металами, що розташовані в ряду СЕП між алюмінієм і воднем, то на катоді відбувається одночасне відновлення і молекул води, і катіонів цих металів, наприклад:

(–) К: 2H2O + 2e– → H

2 + 2OH–

Zn2+ + 2e– → Zn0

У разі електролізу водних розчинів електролітів, утворених катіонами металів, що стоять після водню в ряду СЕП, на катоді відновлюються тільки катіони цих металів:

(–) К: Cu2+ + 2e– → Cu0

На катоді відновлюються тільки молекули H

2O

Li/Li+, K/K+, Ca/Ca2+, Na/Na+, Mg/Mg2+, Al/Al3+

На катоді відновлюються одночасно і катіони цих металів, і молекули H

2O

Mn/Mn2+, Zn/Zn2+, Cr/Cr3+, Fe/Fe2+, Ni/Ni2+, Pb/Pb2+

На катоді відновлюються тільки катіони цих металів

H2/2H+, Cu/Cu2+, Ag/Ag+,

Hg/Hg2+, Au/Au3+

Характер електрохімічних процесів на електродах під час елек-тролізу залежить від матеріалу, з якого виготовлено електроди, а також таких факторів, як температура та природа електроліту, напруга, густина струму тощо.

Закони Фарадея. Кількісні характеристики процесів, які від-бу ваються під час електролізу, підпорядковуються двом зако нам Фарадея:

І. Маса речовини, що виділяється на електродах при електролізі, прямо пропорційна кількості електрики, яка пройшла крізь роз-чин або розплав електроліту.

ІІ. При пропусканні однакової кількості електрики крізь розчини або розплави різних електролітів маса речовин, які виділяються на електродах, пропорційна їхнім молярним масам еквівалентів.

Обидва закони об’єднують загальною формулою

mM f I t

F( ) ,

( ( ) )X екв X X

=æ æ

де m(Х) — маса продуктів електролізу, які виділилися на електродах, г;

M(fекв

(Х)Х) — молярна маса еквівалента речовини або йона, г/моль;

I — сила струму, А; t — тривалість електролізу, с; F — число Фарадея (96 500 Кл/моль).

136

Основні поняття. Подвійний електричний шар. Електроліз. Електролізер. Анод. Катод.

Майкл Фарадей(1791–1867)

Один із найвидатніших англійських науковців, фі-зик і хімік. Більшість його робіт присвячена до-слідженню електрики. Він установив закони елек-тролізу, відкрив явище електромагнітної індукції. Уперше одержав у рідкому стані цілу низку газів (хлор, амоніак та ін.). Відкрив бензол та ізобутилен.

Запитання та завдання

°1. Які процеси називають електрохімічними?

°2. Який процес називають електролізом?

3. Який вид енергії перетворюється на хімічну енергію під час електролізу?

4. Який електрод, що його використовують під час електролізу, нази-вають катодом, а який — анодом? Які заряди вони мають?

5. Від яких чинників залежить перебіг електрохімічних процесів на електродах під час електролізу?

6. Які процеси відбуваються на електродах під час електролізу на ка-тодах, що виготовлені з металів, розташованих в ряду СЕП після водню?

7. Які фізичні закони описують залежності між кількістю електрики та перетвореннями речовин під час електролізу? Дайте визначення та математичний вираз цих законів.

§ 31. Розв’язування задач з використанням законів Фарадея

У цьому параграфі ви дізнаєтеся, як визначити:•масуречовини,щоутворюєтьсявнаслідокелектролізу;•час пропускання електричного струму, необхідного для добування певноїмасичиоб’ємуречовини;•силуструму,заякоїможнаотриматипотрібнумасучиоб’ємречовини.

1. Розрахунок маси речовини, що утворюється внаслідок елек-тролізу під дією струму певної сили. За законом Фарадея маса речовини, яка утворюється під час електролізу, пропорційна кіль-кості електрики, що пройшла крізь розчин:

mM f I t

F( ) ,

( ( ) )X екв X X

=æ æ

137

де m(Х) — маса відновленої або окисненої речовини, г; M(f

екв(Х)Х), молярна маса еквівалента речовини, г/моль;

I — сила електричного струму, А; t — тривалість електролізу, с; F — стала Фарадея (96 500 Кл/моль).

Приклад 1. Крізь розчин калій гідроксиду протягом 2 год 30 хв пропускали електричний струм силою 15,65 А. Які речовини та якої маси чи об’єму (н. у.) отримали на інертних електродах?

Розв’язанняа) Записуємо хімічне рівняння електролізу водного розчину KOH:

На катоді йони K+ не відновлюються, оскільки в ряду стандарт-овлюються, оскільки в ряду стандарт-них електродних потенціалів калій стоїть до алюмінію; на аноді йони OH– окиснюються, тому що середовище лужне.

(–) К: 2 2 22 2H O H OH+ → +− −e

(+) A: 4OH– – 4e– = 2H2O + O

2

42

1

22 2 2 24 4 24H O OH OH 2H O H O+ → + + +− −електроліз

або 2 2 2 2H O 2H Oелектроліз → +б) Обчислюємо маси отриманих речовин з використанням першого

закону Фарадея:

mM f I t

F( )

( ( ) )H

H H2

2 2= =еквæ æ

=+

=

1

22 15 65 2 3600 2 30 60

96 5001 75

æ æ æ æ æ æг моль A c

Кл мольг

/

/.

, ( ),

2 г H2 займають об’єм 22,4 л, а

1,75 г H2 займають об’єм x л, звідси x = 19,6 л;

mM f I t

F( )

( ( ) )O

O O2

2 2= =екв æ æ

= =+

1

432 15 65 2 3600 2 30 60

96 50014 0

æ æ æ æ æ æг моль A c

Кл мольг

/

/.

, ( ),

32 г O2 займають об’єм 22,4 л, а

14 г O2 займають об’єм у л. Звідси y = 9,8 л.

Відповідь: 19,6 л водню; 9,8 л кисню.

138

2. Обчислення часу пропускання струму певної сили для добу-вання певного об’єму газу (н. у.) або маси металу згідно із законом Фарадея здійснюють за формулою

tm F

M f I=

( )

( ( ) ).

X

X Xекв

æ

æ

Приклад 2. У результаті пропускання крізь розчин CuSO4 елек-

тричного струму силою 10 А маса інертного електрода збільшилася на 11,85 г. Визначте час проведення електролізу за умови, що вихід за струмом становить 100 %.

Розв’язанняІз математичного виразу закону Фарадея знаходимо фор мулу

для обчислення t — часу проведення електролізу:

tm F

M f I= =

( )

( ) )

,

,

Cu

(Cu Cu

/

/

æ

æ

æ

æекв

г Кл моль

г моль

11 85 96 500

1

263 54 ææ10

3600 1A

год= =c .

Відповідь: 1 год.

3. Обчислення сили струму, за якої на катоді виділяється певна маса (об’єм) речовини, здійснюють згідно із законом Фарадея за формулою

Im F

M f t=

( )

( ( ) ).

X

X Xекв

æ

æ

Приклад 3. Визначте силу струму, якщо під час електролізу водного розчину AgNO

3 на інертних електродах протягом 1 год

на катоді виділилося 16,5 г срібла за умови, що вихід за струмом становить 100 %.

Розв’язанняЗгідно із законом Фарадея сила струму I дорівнює:

Im F

M f t= =

( )

( ( ) )

,

,

Ag

Ag Ag

/

/

æ

æ

æ

æ æекв

г Кл моль

г моль

16 5 96 500

1 107 87 336004 1

c= , .A

Відповідь: 4,1 А.

Запитання та завдання 1. Яка маса міді виділиться на катоді в результаті проходження

крізь водний розчин купрум(ІІ) сульфату струму силою 10 А протягом 1 год?

2. Яку масу нікелю одержали під час електролізу розчину нікель(ІІ) сульфату під дією струму силою 10 А протягом 5 год?

3. Під час електролізу розчину аргентум(I) нітрату з інертними (нероз-чинними) електродами маса катоду зросла на 43,2 г. Яка речовина та в якій кількості виділилася на аноді?

139

4. Обчисліть час пропускання струму силою 5 А крізь розчин ферум(ІІ) сульфату для добування 2,8 г заліза.

5. Обчисліть час пропускання струму силою 12,1 А крізь хло ридну кислоту для добування 6 л хлору (н. у.).

6. Обчисліть силу струму, за якої під час електролізу розчину ферум(ІІ) сульфату протягом 33 хв добули 2,3 г заліза.

7. Обчисліть силу струму, за якої під час електролізу розчину сульфатної кислоти за 40 хв одержали 0,98 л (н. у.) кисню.

8. Обчисліть силу струму, за якої під час електролізу розчину калій сульфату за 50 хв одержали 0,95 л (н. у.) водню.

*9. Яка маса срібла виділиться на катоді внаслідок електролізу, якщо крізь розчин AgNO

3 пропускали струм 10 А протягом 30 хв?

*10. Струмом силою 50 А за 3 год під час електролізу на нерозчинному електроді було відновлено 1778 г двовалентного металу. Якою була молярна маса еквіваленту цього металу? Який це метал?

*11. Визначте силу струму під час електролізу водного розчину солі металічного елемента з молярною масою 52 г/моль, якщо за 6 год на інертному електроді одержали 260 г металу.

*12. Який об’єм водню та кисню (н. у.) виділиться на інертних електродах, якщо протягом 4 год крізь розчин H

2SO

4 пропускати електричний

струм силою 10 А? *13. Обчисліть час пропускання струму силою 2,95 А крізь розчин натрій

нітрату, щоб на катоді добути 1 л водню. *14. Визначте силу струму, за якої під час електролізу розчину хром(ІІІ)

сульфату протягом 30 хв виділилося 1,2 г хрому.

§ 32. Поняття про електродний потенціал. Гальванічний елемент і принцип його роботи

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•прогальванічнийелементіпринципйогороботи;•щотакестандартнийелектроднийпотенціалметалу;•яквибратиметалидляелектродівгальванічногоелемента.

Що таке електродний потенціал. Вам уже відомо, що під час занурення металевої пластинки у воду на межі поділу двох фаз (метал/вода) виникає подвійний електричний шар. Його можна охарактеризувати певною різницею електростатичних потенціалів. У результаті занурення пластинки металу в розчин його солі також виникає подвійний електричний шар, однак у цьому випадку можливі два механізми його утворення. Якщо метал досить активний, наприклад цинк Zn (див. ряд стандартних електродних

140

потенціалів металів — ряд СЕП), або концентрація його катіонів у розчині невелика, поверхня пластинки заряджається негативно (рис. 26, а).

Zn

ðîç÷èí Zn(NO3)2

+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –

– +– +– +– +– +– +– +–

+

a

Ag

ðîç÷èí AgNO3

+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –

– +– +– +– +– +– +– + –

+

á

Zn2+ Zn2+ NO3– NO

3–

Рис. 26. Подвійний електричний шар на поверхні металу: а — активного; б — малоактивного

Коли метал малоактивний, наприклад срібло Ag, або кон-цен трація катіонів металічного елемента в розчині досить значна, поверхня ме талічної пластинки заряджається позитивно (рис. 26, б).

Таким чином, під час занурення металевих пластинок у воду або у розчин солі самого металічного елемента на межі поділу двох фаз (метал/вода або метал/розчин солі цього металічного елемента) утворюється подвійний електричний шар.

Різницю потенціалів, що виникає між металом (твердою фазою) і розчином електроліту (рідкою фазою), називають електродним потенціалом металу.

Різницю електродних потенціалів позначають літерою Е. Якщо концентрація йонів електроліту в розчині дорівнює

1 моль/л, тиск газоподібних речовин становить 101 325 Па, а тем-пература — 298 К, то електродний потенціал цього металу, ви-мі ряний відносно стандартного водневого електроду, називають стандартним електродним потенціалом і позначають як Е0. Наприклад, стандартний електродний потенціал цинку позначають Е0 (Zn2+/Zn0), а стандартний електродний потенціал срібла — Е0 (Ag+/Ag0).

Стандартний водневий електрод виготовляють з губчастої пла-тини, зануреної в розчин H

2SO

4 концентрацією 1 моль/л (рис. 27).

Крізь цей розчин за T = 298 К під тиском 101 325 Па пропускають газоподібний водень, який поглинається платиною. Таким чином, поверхня пластинки фактично насичена воднем. Стандартний електродний потенціал водневого електрода — E

( ).

2

0

20

H /H+ =

141

KCl

e–

H2

H2

Pt

H2SO

4

ZnSO4

Zn

–+

I II III

Рис. 27. Гальванічне коло для вимірювання стандартного електродного потенціалу: І — водневий електрод; ІІ — електролітичний ключ; ІІІ — електрод для вимірювання

його стандартного електродного потенціалу

Принцип роботи гальванічного елементаГальванічний елемент — це хімічне джерело електричного

струму, пристрій, у якому енергія хімічної реакції перетворюється на електричну.

Будь-який гальванічний еле мент складається з двох частин (напів елементів), в одній із них від бува єть ся реакція окиснення, а в дру гій — реакція відновлення.

Щоб скласти гальванічний еле мент, наприклад цинково-мідний, необхідно взяти дві посудини, заповнити одну з них розчином ZnSO

4 і занурити в нього цинкову пластинку, а другу —

розчином CuSO4 і занурити в нього мідну пластинку (рис. 28).

Далі пот рібно з’єднати пластинки дротом, тобто сформувати зовнішнє елек тричне коло. Розчини слід з’єднати електролітом, який у водному розчині не зазнає гідролізу, наприклад KCl або KNO

3, і таким чином сформувати внутрішнє електричне

коло. Цю U-подібну трубку, заповнену розчином електроліту, називають сольовим містком. Він необхідний для замикання електричного кола між двома електродами. Пластинки називають електродами.

У мідно-цинковому гальванічному елементі на цинковій пла-стинці (виготовленій з більш активного, ніж мідь, металу), що

142

за ну рена в розчин цинк сульфату, відбувається окиснення цинку до йонів Цинку:

( ) :− − →− +A Zn Zn0 22e

Електрод, на якому відбувається окиснення, називають анодом.На мідній пластинці (виготовленій з менш активного, ніж цинк,

металу), що занурена в розчин купрум(ІІ) сульфату, відбувається відновлення йонів Cu2+ до металу (тобто до Cu0), який відкладаєть-ся на поверхні мідної пластинки:

( ) :+ + →+ −К Cu Cu2 02e

Електрод, на якому відбувається відновлення, називають катодом.

У замкнутій системі (гальванічному елементі) відбувається хі-міч на взаємодія одного металу з розчином солі іншого металічного елемента, які безпосередньо не контактують один з одним:

Zn0 + CuSO4 = ZnSO

4 + Cu0

Енергія хімічної реакції перетворюється на енергію електричну. Електрорушійну силу (∆E) будь-якого гальванічного елемента визначають за формулою

∆ = −E E Eк а ,

де Eк і E

а — електродні потенціали відповідно катода й анода.

Основні поняття. Стандартний електродний потенціал металу. Гальванічний елемент. Анод. Катод. Зовнішнє електричне коло. Сольовий місток.

3

12

65

4

Рис. 28. Мідно-цинковий гальванічний елемент: 1 — цинк; 2 — посудина з розчином цинк сульфату;

3 — гальванометр; 4 — сольовий місток з розчином калій нітрату; 5 — посудина з розчином купрум(II) сульфату; 6 — мідь

143

Луїджі Гальвані(1737–1798)

Лікар і фізик, один з основоположників учення про електрику. Його дослідження сприяли винаходу нового джерела струму, названого його ім’ям, — гальванічно-го елемента.

Запитання та завдання

1. Як утворюється подвійний електричний шар під час занурення металевої пластинки у воду?

2. Що називають електродним потенціалом металу?

3. Що називають стандартним електродним потенціалом металу та як його позначають і вимірюють?

4. Як називають пристрій, у якому енергія хімічної реакції перетво-рюється на електричну?

5. Як називають U-подібну трубку, яка з’єднує розчини електролітів у гальванічному елементі?

6. За якою формулою визначають електрорушійну силу (∆E) будь-якого гальванічного елемента?

7. Під час роботи Ni/Ag гальванічного елемента який із металів буде анодом, а який — катодом? Чому?

8. Укажіть рівняння реакцій, які можна використовувати в гальваніч-них елементах:

а) KOH + HCl = KCl + H2O;

б) Fe + 2HCl = FeCl2 + H

2↑;

в) CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaCl;

г) CuCl2 + Zn = Cu + ZnCl

2.

9. Роботу одного з гальванічних елементів описує рівняння реакції:

2Al + 3Cu(NO3)2 = 2Al(NO

3)3 + 3Cu

Опишіть будову цього елемента та складіть рівняння напівреакцій, які в ньому відбуваються. Який з електродів буде катодом, а який — анодом?

*10. Складіть рівняння реакції, що відбувається в гальванічному еле-менті, який складається з електродів CuSO

4/Cu та AgNO

3/Ag, як-

що концентрації обох електролітів дорівнюють 1 моль/л. Ви-знач те електрорушійну силу цього гальванічного елемента, якщо Е0 (Cu2+/Cu) = +0,34 В, а Е0 (Ag+/Ag) = +0,8 В.

*11. Чим обмежена здатність гальванічних елементів бути джерелами електричної енергії?

144

§ 33. Електроліз: закономірності електродних процесів, застосування електролізу

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щоназиваютьелектролізом;•якіпроцесивідбуваютьсянакатодііаноді;•учомуполягаєподібністьівідмінністьпроцесів,щовідбуваютьсявгальва-нічномуелементійелектролізері.

Окисно-відновні реакції, що відбуваються під дією електричного струму на електродах, занурених у розчин або розплав електроліту, називають електролізом. Аноди бувають активні (розчинні) та інертні. У розчин або розплав з активного анода переходять йони металічного елемента, з якого він виготовлений (крім Pt), а крізь інертний анод переходять електрони. Його виготовляють із графіту або платини.

Електроліз розплавів електролітів. Процес проводять за участі графітових електродів. За високих температур розплав солі, нап-риклад KCl, розкладається на йони:

KCl K Clрозплав

= ++ −t

Під час пропускання електричного струму крізь розплав від бу-ва ються такі процеси:

а) направлене переміщення катіонів Калію до катода, а аніонів Хлору до анода;

б) відновлення катіонів K+ на катоді:

( ) :− ++ −К K = Ke 0

в) окиснення аніонів Cl– на аноді:

( ) :+ −− −A 2Cl = Cl2 2eСумарне рівняння процесу електролізу має такий вигляд:

(–) Ê: K+ + e– = K0

(+) À: 2Cl– – 2e– = Cl20

21

2

2K Cl K Cl+ −+ = +2 2 020

2KCl K Clрозплав

електроліз → +2 020

Електроліз водних розчинів електролітів. Цей процес відбу-ва ється дещо складніше, ніж електроліз розплавів, через те що в ньому можуть брати участь і молекули води:

( ) :− + = +− −К 2 2 22 2H O H OHe — процес відновлення

( ) :+ − = +− +A 2 4 42 2H O O He — процес окиснення

145

Коли на тому самому електроді можуть відбуватися два або більше процесів, то, першою чергою, на катоді відновлюються катіони металічних елементів з найбільшим значенням електродного потенціалу (табл. 7), а на аноді окиснюються аніони з найменшим електродним потенціалом (табл. 8).

Таблиця 7Стандартні електродні потенціали (В)

деяких систем типу Men+/Me0 у водних розчинах

Li+/ Li0

–3,05

K+/ K0

–2,02

Ba2+/Ba0

–2,9

Ca2+/Ca0

–2,87

Na+/Na0

–2,71

Mg2+/Mg0

–2,36

Al3+/Al0

–1,66

Zn2+/Zn0

–0,76

Fe2+/Fe0

–0,44

Cr3+/Cr0

–0,74

Ni2+/Ni0

–0,25

Sn2+/Sn0

–0,14

Pb2+/Pb0

–0,13

2H+/

H20

0

Cu2+/Cu0

+0,34

Ag+/Ag0

+0,80

Hg2+/Hg+0,85

Au3+/Au0

+1,42

Таблиця 8Стандартні електродні потенціали (В)

деяких систем типу Ann–/An0 у водних розчинах

S2–/S0 4OH–/ O H O20

22+ 2I–/I2

2Br–/Br2

2Cl–/Cl2

2F–/F2

–0,404 +0,401 +0,535 +1,087 +1,396 +2,866

Щоб правильно визначитися із закономірностями процесів, які відбуваються під час електролізу водних розчинів електролітів, треба брати до уваги таке:

1) на катоді:• катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять від літію до алюмінію включно, не від нов люються; замість них відновлюються молекули води:

( ) :−

= ↑ +

+

−

К Mg

H O:

H O + 2 H

2

2

2 22

не відновлюються;

відновлюються

e 22OH−

• катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять між алюмінієм і воднем, від нов люються одночасно з молекулами води:

( ) :−

+ ↑ +

+ −

− −

К Fe + 2 = Fe

2H O = H OH

2 0

2 22 2

e

e• катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять після вод-катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять після вод-СЕП стоять після вод- стоять після вод-ню, відновлюються без участі молекул води:

( ) :− ++ −К Cu = Cu

H O

2 0

2

2e

не відновлюються

146

2) на інертному аноді (нерозчинному, виготовленому з гра-фіту, вугілля або платини):• першою чергою, окиснюються прості аніони складу S2–, I–, Br–, Cl–:

( ) :+ −− −A 2 2 20

2

Cl = Cl

H O

e

не окиснюються

• аніони оксигеновмісних кислот CO32−, SO4

2−, NO3−, PO4

3− не окис-нюються, окиснення зазнають лише молекули води:

( ) :+

− ↑ +

−

− +

A 2

4 4

42

2 2

SO

2H O = O H

не окиснюються

e

• у лужних розчинах на аноді окиснюються лише гідроксид-іони:

( )+ − ↑ +− −A: 4OH = O H O4 22 2e

3) у разі використання розчинних анодів (виготовлених із цинку, нікелю, міді, срібла, тобто металів, що стоять у ря-ду стандартних електродних потенціалів після алюмінію) окис-нюється сам метал, з якого виготовлений анод:

( ) :+ − →− +A Cu Cu0 22e

Демонстраційний дослід• Електролізрозчинукупрум(ІІ)хлориду

Дослід проводять у витяжній шафі!

Заповнюють прилад для проведенняелектролізу розчином купрум(ІІ) хлориду.В  обидва коліна приладу занурюють гра-фітові електроди та під’єднують їх міднимипровідниками до електричної батарейки(рис.  29). Що спостерігаємо? На катодіз’являються блискучі червоні частинки міді.Окисненнячивідновленняміді відбуваєтьсяна катоді? Запишемо рівняння катодногопроцесу:

( ) K :−− Cu + 2 = Cu2+ 0e−

Доведемо, що на аноді утворюється хлор.Дляцьоговідключимоприладвіделектричноїбатарейкипісля4–5 хвелектролізу.Витягуютьанод з  електролізера й додають в аноднийпростірпо3–4краплірозчинукаліййодидутакрохмальногоклейстеру.Щоспостерігаємо?Синєзабарвленнявнаслідокпроцесу:

Cl +2KI 2KCl+I2 2=

Êàòîä(–)

Àíîä(+)

2

Cu 0

ãðàô³òîâ³åëåêòðîäè

Cu2+ 2Cl–

Cl

Рис. 29. Прилад для прове-дення електролізу водних

розчинів електролітів

147

Запишемосхемупроцесуелектролізуводногорозчинукупрум(ІІ)хлориду:

CuCl2

=

CuCl2, H

2O

2Cl–

2Cl–

Cu2+

Cu2+

Cu2+ + 2e– → Cu0 2Cl– – 2e– → 2Cl0

2Cl0 → Cl2 ↑

+

+H2O

Катод (–) Анод (+)→ H

2O H

2O

CuCl2

електроліз Cu0 + Cl2 ↑

• Електроліз розчину калій йодидуУ конічну пробірку наливають на 3/4 її об’єму розчин калій йодидуй додають5–6крапельрозчинуфенолфталеїнутакрохмальногоклейстеру.Утворений розчин перемішують і виливають в електролізер. Занурюютьу ньогографітовіелектродитапід’єднуютьїхдобатарейки.Звертають увагу на зміну забарвлення розчину поблизу електродів.Змінакольоруфенолфталеїнунамалиновийсвідчитьпропоявулужногосередовищапоблизукатода,асинєзабарвленнярозчинупоблизуанода —пропоявуйодуI

2,якийзмінюєколіркрохмальногоклейстеру.

Запишемосхемупроцесуелектролізуводногорозчинукаліййодиду:

KI =

KI, H2O

I–K+

2H2O + 2e– → H

2 ↑ + 2OH– 2I– – 2e– → I

2

+

+H2O

Катод (–) Анод (+)→ H

2O H

2O

2KI + 2H2O електроліз H

2 ↑ + I

2 ↑ + 2KOH

Йон K+ як утворений металом, що розташований у ряду СЕП перед манганом (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Mg, Al), на катоді не відновлюєть-ся — відновлюються молекули води.

На аноді окиснюється тільки йон I– як аніон безоксигенової кислоти HI.

• Електроліз води

Оскількиводапрактичнонерозпадаєтьсянайони:H O H OH ,2+� + − вона

не проводить електричного струму. Для підвищення електропровідностів нійрозчиняютьдеякіелектроліти,наприкладнатрійсульфат,щодобре

дисоціюєнайониNa+таSO ,42− якінеберутьучастівпроцесіелектролізу.

Для проведення електролізу води змішують в конічній пробірцірозчин натрій сульфату (приблизно половину її об’єму) з нейтральнимрозчином лакмусу (1/4 об’єму пробірки). Виливають одержаний розчинв електролізер.Пропускаютькрізьньогоелектричнийструм ізвертаютьувагуназмінузабарвленняіндикаторабіляобохелектродів.Якіречовинивиділяються на аноді та катоді? Чому змінюється забарвлення лакмусув катодномутаанодномупросторах?

148

ЗапишемосхемупроцесуелектролізуводизанаявностіврозчиніNa2SO

4:

Na2SO

4=

H2O, Na

2SO

4

SO42–2Na+

2H2O + 2e– → H

2 ↑ + 2OH– 2H

2O – 4e– → O

2 ↑ + 4H+

+

+H2O

Катод (–) Анод (+)→ H

2O H

2O

Йон Na+ як утворений металом, що розташований у ряду СЕП (витис- кувальному ряду) перед манганом, під час електролізу водних розчи-нів на катоді не відновлюється, а відновлюються молекули води.

Сульфат-іон SO42– як аніон оксиге-

новмісної кислоти (H2SO

4), так само

як аніони NO3–, PO

43– тощо, під час

електролізу водних розчинів не відновлюється; на аноді окисню-ються молекули води.

Застосування електролізу. За допомогою електролізу є можли-вість одержувати сильні окисники та відновники: H

2 і O

2 — із

води, Cl2 — із водних розчинів NaCl, F

2 — із розплаву KF, дуже

чисті метали, металічні порошки із заданими властивостями.На принципі електролізу ґрунтуються різноманітні способи об-

робки поверхні металів: електрополірування сталевих виробів, оксидування (покриття металів, наприклад алюмінію або магнію, оксидними плівками), що значно підвищує стійкість металів до корозії в певному середовищі.

А чи можливий зворотний процес — перетворення хімічної енергії на електричну?

Явища, на яких ґрунтується робота гальванічних елементів та процес електролізу, покладені в основу роботи приладів, що до-зволяють накопичувати електричну енергію за рахунок хімічної. Гальванічні елементи не спроможні виступати як джерела елек-тричної енергії протягом тривалого часу, оскільки маса речовин, які зазнають перетворень у процесі їхньої роботи, є обмеженою. Однак цю здатність подібного джерела електричної енергії можна відновити, якщо крізь нього пропустити електричний струм від зовнішнього джерела. Такі гальванічні елементи зворотної дії на-зивають акумуляторами.

Існують декілька видів акумуляторів, наприклад залізо-ніке леві, кадмій-нікелеві. Найбільш поширений свинцевий. Він складаєть-Найбільш поширений свинцевий. Він складаєть- свинцевий. Він складаєть-свинцевий. Він складаєть-. Він складаєть-ся із занурених у розчин сульфатної кислоти (з масовою часткою 30 %) свинцевого електрода та електрода зі свинцю, вкритого шаром плюмбум(IV) оксиду. У процесі роботи акумулятора на електроді без покриття (аноді) відбувається реакція окиснення:

Pb SO PbSO042

42− + →− −e

149

На електроді, вкритому окисником PbO2 (катоді), відбувається

процес відновлення:PbO H SO PbSO H O2 4

24 24 2 2+ + + → ++ − −e

Сумарне рівняння реакцій можна подати в такому вигляді:Pb + PbO

2 + 2H

2SO

4 = 2PbSO

4 + 2H

2O

Якщо крізь розряджений акумулятор пропустити електричний струм від зовнішнього джерела, то його можна знову зарядити. При цьому на катоді відбувається процес відновлення йонів Pb2+ до металевого свинцю:

PbSO Pb SO40

422+ → +− −e ,

а на аноді — процес окиснення йонів Pb2+ до плюмбум(IV) оксиду:PbSO H O PbO H SO4 2 2 4

22 4− + → + +− + −eСумарний хімічний процес можна описати таким рівнянням:

2PbSO H O = PbO Pb H SO4 2 2 424 2+ + + ++ −

Приклади розв’язування задачПриклад 1. Які речовини утворюються на катоді

та аноді під час електролізу водних розчинів: а) KCl; б) NiSO

4; в) AgNO

3; г) NaOH з інертними електродами?

Розв’язанняа) Оскільки калій у ряду СЕП стоїть до алюмінію, на катоді йон

K+ не відновлюється, відновлюються молекули води. На аноді окиснюються йони Хлору — безоксигенові аніони.

Електроліз водного розчину KCl:( ) :−

+ → +

+

− −

К K

2H O H OH

не відновлюються

2 22 2e

( ) :+ − →− −A 2Cl Cl

H O

2 2

2

e

не окиснюються

2 2 2 2KCl 2H O 2KOH H Cl+ → + ↑ + ↑електроліз

б) Нікель у ряду СЕП стоїть між Al і H2, тому на катоді Ni2+

відновлюється одночасно з молекулами води. На аноді сульфат-іони не окиснюються, тому що це — оксигеновмісні аніони.Електроліз водного розчину NiSO

4:

( ) :− + →

+ → +

+ −

− −

К Ni Ni

2H O H OH

2 0

2 2

2

2 2

e

e

( ) :+

+ = +

−

− +

A SO

2H O O H

42

2 24 4

не окиснюються

e

NiSO 2H O Ni H O H SO4 2 2 2 2 4+ → + ↑+ ↑ +електроліз

в) На катоді відновлюються тільки йони Аргентуму, тому що в ря-ду СЕП срібло стоїть після водню H

2. На аноді йони NO3

− не окис нюються, тому що це оксигеновмісні аніони, замість них окис нюються молекули води.

150

Електроліз водного розчину AgNO3:

( ) :− + →+ −К Ag Ag

H O не відновлюються2

e 0

( ) :+

− → +

−

− +

A NO

H O O H

3

2 22 4 4

не окиснюються

e

Сумарне рівняння:

( ) :

( ) :

− + →

− − → +

−

− +

К

A

Ag Ag

H O O H

e

e

0

2 22 4 44

4

1

4 43 20

2 3AgNO 2H O 4Ag O HNO+ → + ↑ +електроліз

г) Через те що натрій у ряду СЕП стоїть до алюмінію, на катоді йон Na+ не відновлюється, а відновлюються молекули води. На аноді в лужних розчинах окиснюються йони OH–, на відміну від інших оксигеновмісних аніонів NO3

−, SO42−, CO3

2− :

Na+ — не відновлюються

(–) К: 2H2O + 2e– = 2OH– + H

2

H2O — не окиснюються

(+) A: 4OH– – 4e– = 2H2O + O

2

4

2

1

22 2 2 24 4 24H O OH OH 2H O H O+ → + + +− −електроліз

або 2 2 2 2H O 2H Oелектроліз → +Отже, при електролізі водних розчинів лугів із застосуванням

інертних електродів відбувається процес електролізу води з утво-ренням газоподібних водню та кисню.

Відповідь: а) на катоді — водень, на аноді — хлор; б) на като-ді — водень і нікель, на аноді — кисень; в) на катоді — срібло, на аноді — кисень; г) на катоді — водень, на аноді — кисень.

Приклад 2. Які процеси відбуваються під час електролізу водного розчину CuSO

4 з активним мідним анодом?

Відповідь: у цьому випадку на катоді відновлюються катіони Купруму, а на аноді завжди окиснюється матеріал анода — мідь:

( ) :− + →+ −К Cu Cu2 02e ( ) :+ − →− +A Cu Cu0 22e

Основні поняття. Продукти електролізу розплавів і розчинів електролітів. Акумулятор.

151

Гемфрі Деві(1778–1829)

Піонером у використанні електричного струму в хімії був англійський хімік, фізик і геолог Гемфрі Деві. Піддаючи електролізу розплави різних сполук, він відкрив шість елементів: Калій, Натрій, Барій, Каль-цій, Стронцій і Магній. Це була одна із найважливі-ших подій в історії хімії.

Для допитливихІнодівиделки,яківикористовуютьупобуті,називаютьсрібними.Насправдіїхвиготовляютьзнікелю.Покриттязісріблананосятьна нікелеву виделку в процесі електролізу водного розчину,щомістить сільАргентуму.Катодомє виделка з нікелю, анодвиготовляютьзісрібла.Цеелектролізерізрозчинниманодом.Позитивнозаряджені йони Аргентуму з розчину притягуються до негативнозарядженогокатодайвідновлюютьсядосрібла:

(–)К:Ag+ + e– = Ag0

На срібному аноді відбувається зворотний процес розчинення срібла,тобтойогоокисненнядойонівAg+:

(+)А: Ag0–e– = Ag+

У підсумку в результаті проведення такого виду електролізу загальнакількістьйонівАргентумуврозчинінезмінюється,анаповерхнівиделкиутворюєтьсяплівказісрібла.

Запитання та завдання 1. Які процеси відбуваються на катоді та аноді під час

електролізу: а) розчину NaCl; б) розплаву KCl? 2. Складіть схему електролізу розчину солі оксигеновмісної

кислоти на прикладі ZnSO4.

3. Складіть схему електролізу розчину цинк сульфату на інертних електродах і складіть рівняння реакцій, що відбуваються на аноді та катоді.

*4. Під час електролізу розплаву натрій хлориду на аноді виділилося 56 л (н. у.) хлору. Яка маса металічного натрію утворилася на катоді?

*5. Під час електролізу розчину калій хлориду на катоді виділився водень масою 6 г. Який газ та якого об’єму (н. у.) виділився на аноді?

*6. Наведіть формули трьох речовин, при електролізі водних розчинів яких відбувається розкладання води.

7. Чи можна здійснити електроліз водних розчинів етилового спирту та сахарози? Чому?

*8. Які речовини утворюються на інертних катоді та аноді під час електролізу водних розчинів таких електролітів: а) KOH; б) H

2SO

4;

в) NaCl; г) K2SO

4; ґ) Fe(NO

3)3; д) CuCl

2?

*9. Які процеси відбуваються під час електролізу водного розчину AgNO3

з активним срібним анодом?

152

Тестові завдання

1. Скільки електронів переходить унаслідок перетворення Cl Cl− +

→1 7

?А 6 Б 7 В 8 Г 9

2. У якій сполуці Йод має ступінь окиснення –1?А NaIO

4

Б NaI В NaIO

3

Г Na5IO

6

3. Установіть відповідність між рівнянням реакції, позначеним циф-рою, і типом реакції, позначеним буквою:1 Na

2CO

3 +2HCl = А реакція розкладу

= 2NaCl + H2O +CO

2 ↑ Б реакція заміщення

2 NH3 + HCl = NH

4Cl В реакція сполучення

3 2KHCO3 = K

2CO

3 + CO

2 + H

2O Г реакція обміну

4 Zn + 2HCl = ZnCl2 + H

2

4. Який з елементів під час цієї ОВР відіграє роль відновника?

SO Br H O = HBr H SO2 2 2 2 42 2+ + +А Сульфур Б Гідроген В Бром Г Оксиген

5. Який з елементів у цій ОВР відіграє роль окисника?KNO Br H O KNO HBr2 2 2 3 2+ + → +

А Нітроген Б Бром В Оксиген Г Гідроген

6. У якій з наведених речовин атом Нітрогену має максимальний ступінь окиснення?

А N2

?

Б NO?

2

В Na NO?

2

Г Mg(NO )?

3 2

7. У реакції за схемою N AlN2 → кожен атом Нітрогену:А приймає 3е– Б віддає 3е– В приймає 8е– Г віддає 8е–

153

8. У реакції за схемою PH H PO3 3 4→ атом Фосфору:А віддає 2е– Б приймає 2е– В віддає 8е– Г приймає 8е–

9. Обчисліть суму стехіометричних коефіцієнтів біля формул вихідних речовин унаслідок ОВР за схемою

ZnS O ZnO SO+ → +2 2А 3Б 5 В 7Г 9

10. Укажіть стехіометричний коефіцієнт біля формули окисника в ОВР за схемою

H SO . Zn ZnSO H O H S2 4 4 2 2( )конц + → + + ↑А 9Б 7 В 5 Г 3

11. Укажіть стехіометричний коефіцієнт біля формули відновника в ОВР

за схемою Cu O Al Cu Al O2 2 3+ → +t

.А 1 Б 2 В 3 Г 4

12. Скільки електронів віддано атомами відновника під час ОВР за схе-мою P O C P CO?2 5 + → +А 7 Б 5 В 3 Г 10

13. Скільки електронів прийнято атомами окисника під час ОВР за схе-

мою CuO Al Cu Al O+ → +t

2 3?А 2Б 4 В 6 Г 8

14. Які гази утворюються під час електролізу водного розчину калій хлориду на вугільних електродах?А HCl і O

2

Б Cl2 і O

2

В H2 і Cl

2

Г H2 і O

2

154

15. Скільки всього речовин необхідно вказати, записуючи схему елек-тролізу водного розчину цинк сульфату на вугільних електродах?А 3 Б 4 В 5 Г 6

16. Який коефіцієнт необхідно поставити перед сріблом, записуючи схе-му електролізу водного розчину аргентум нітрату на вугільних елек-тродах?А 2Б 4В 6Г 8

17. Укажіть суму коефіцієнтів перед формулами всіх речовин, які необхідно поставити при написанні схеми електролізу водного розчину кальцій нітрату на вугільних електродах?А 4Б 5В 6Г 7

18. Яка маса срібла виділиться на катоді в результаті пропускання крізь розчин аргентум(I) нітрату електричного струму силою 10 А протя-10 А протя-гом 35 хв?А 19,7 гБ 21,4 гВ 23,5 г Г 25,1 г

19. Обчисліть об’єм водню (н. у.), що виділився в результаті електролізу розчину сульфатної кислоти електричним струмом силою 8 А про-8 А про-тягом 1,5 години.А 3,0 л Б 5,0 л В 7,5 л Г 8,7 л

20. Обчисліть час електролізу, який потрібний для виділення заліза масою 50 г із розчину ферум(ІІ) сульфату електричним струмом силою 12 А.А 4 год Б 2,5 год В 4,8 год Г 3,6 год

155

Найважливіше в розділі 3Хімічні реакції, під час яких змінюються ступені окиснення

елементів, що входять до складу речовин, які реагують між собою, називають окисно-відновними.

Окиснення — це процес віддавання електронів атомом (йоном або молекулою), який супроводжується збільшенням ступеня окиснення елемента.

Відновлення — це процес приєднання електронів атомом (йоном або молекулою), що супроводжується зниженням ступеня окиснення елемента.

Сукупність процесів окиснення і відновлення (напівреакцій) являє собою окисно-відновну реакцію.

Окисник — це елемент, який приєднує електрони і відновлюється в процесі хімічної реакції.

Відновник — це елемент, який віддає електрони й окиснюється в процесі хімічної реакції.

Елемент, який перебуває в найнижчому ступені окиснення (для атомів металічних елементів він дорівнює нулю; для атомів неметалічних елементів — різниці між номером групи і числом 8), виявляє тільки відновні властивості.

Елемент, що перебуває в найвищому ступені окиснення, який для всіх елементів дорівнює номеру групи елемента в Періодичній системі, зі знаком «+» виявляє тільки окисні властивості.

Коефіцієнти в рівняннях окисно-відновних реакцій визначають методом електронного балансу, згідно з яким кількість електронів, прийнятих окисником, дорівнює кількості електронів, відданих відновником.

До найважливіших окисно-відновних реакцій відносять до бу-вання (відновлення) металів з їхніх оксидів; взаємодія ме та лів з кислотами, яке супроводжується окисненням металів і від нов-лен ням катіона Гідрогену (у випадку кислот-неокисників HCl, HBr, HI, H

2SO

4 розведеної) або атома кислотоутворюючого еле мен-

та (у ви падку кислот-окисників і, перш за все, HNO3 роз веде ної

і кон центрованої та H2SO

4 концентрованої); процеси горіння, тоб-

то вза є модії речовин з киснем за певної температури.Окисно-відновні реакції спричиняють виникнення електричного

струму, що використовують у хімічних джерелах постійного струму — гальванічних елементах. В основі їхньої роботи лежить перенесення електронів від відновника до окисника. При цьому на катоді (не-(не-гативно зарядженому електроді) відбувається процес відновлення, тобто приєднання електронів, а на аноді (позитивно зарядженому електроді) — процес окиснення, тобто віддавання електронів.

156

Усі метали за зменшенням їхніх відновних властивостей (за здатністю віддавати електрони у водних розчинах) розташовують в один ряд, який називають рядом стандартних електродних потенціалів (СЕП). Це потенціали, які виникають у результаті занурення будь-якого металу в розчин електроліту на межі поділу метал/розчин. У ряду СЕП зліва направо зменшуються відновні властивості металів і збільшуються окисні властивості їхніх йонів.

Кожен метал ряду СЕП здатний витискувати метали, що розташовані праворуч від нього. Метали, що розташовані в ряду СЕП ліворуч від водню, витискують його з розчинів кислот, а най-активніші ме тали, що розташовані зліва від мангану, витискують його із води.

Електроліз — окисно-відновний процес, що відбувається на елек-тродах під час пропускання електричного струму крізь розчин або роз плав електроліту. Його застосовують для одержання найактив-ніших металів — Na, K, Ca, Mg, а також Al та найактивніших неметалів — H

2, F

2, Cl

2, O

2.

Кількісні характеристики електролітичних процесів, що відбу-ваються на електродах під час електролізу, підпорядковуються за-ко нам Фарадея, які можна подати загальною формулою

mM f I t

F

M f I t( ) ,

( ( ) ) ( ( ) )X екв еквX X X X

= =æ æ æ æ

96 500де m(Х) — маса окисненої або відновленої речовини, г; M(f

екв(Х)Х) — молярна маса еквівалента цієї речовини, г; I —

сила струму, А; t — тривалість проведення електролізу, с; F — стала Фарадея — 96 500 Кл.

157

Розділ 4 Хімічні реакції

та закономірності їх перебігу

§ 34. Узагальнення знань про основні типи хімічних реакцій

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•заякимиознакамикласифікуютьхімічніреакції.

Хімічні реакції класифікують за певними ознаками. 1. За характером перебігу їх поділяють на реакції сполучення,

розкладання, заміщення та обміну:• реакції сполучення — реакції, під час перебігу яких з декіль-кох речовин утворюється одна речовина, більш складна, аніж вихідні: Na

2O + CO

2 = Na

2CO

3 4Al + 3O

2 = 2Al

2O

3

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl

3

• реакції розкладу — реакції, під час перебігу яких з однієї складної речовини утворюється декілька речовин:

2KHCO3 = K

2CO

3 + CO

2 + H

2O

2Al(OH)3 = Al

2O

3 + 3H

2O

2Fe2(SO

4)3 = 2Fe

2O

3 + 6SO

2 + 3O

2

• реакції заміщення — реакції, під час перебігу яких атоми одного елемента заміщують атоми другого елемента в складній речовині, при цьому утворюються дві нові речовини — проста і складна:

Al + 3AgNO3 = Al(NO

3)3 + 3Ag ↓

Ca + 2HCl = CaCl2 + H

2 ↑

• реакції обміну — реакції, під час перебігу яких складні ре-човини обмінюються між собою своїми складовими частинами, унаслідок чого з двох вихідних речовин утворюються дві нові речовини:

Ca(NO3)2 + K

2CO

3 = CaCO

3 ↓ + 2KNO

3

NiSO4 (розв.) + 2NaOH (конц.) = Ni(OH)

2 ↓ + Na

2SO

4

2. За ознакою напрямку реакції поділяють на необоротні та обо-ротні.• Необоротними називають реакції, що відбуваються тільки в од-ному напрямку. До них відносять реакції, що супроводжуються

158

утворенням малодисоційованих сполук (H2O), а також ті, кінце-), а також ті, кінце-

ві продукти яких видаляються з реакційного середовища:

CuSO4 + Mg = MgSO

4 + Cu ↓

NaOH + HCl = NaCl + H2O

• Оборотними називають реакції, що відбуваються одночасно у двох взаємно протилежних напрямках. Під час написання рівнянь таких реакцій замість знака рівності використовують протилежно напрямлені стрілки:

3 22 2 3H N NH+ �3. За ознакою зміни ступеня окиснення елементів реакції

поділяють на окисно-відновні і такі, що відбуваються без зміни ступеня окиснення хімічних елементів.• Окисно­відновними називають реакції, під час яких змінюють-ся ступені окиснення деяких елементів:

Zn 2HCl Zn Cl H0 1 1 2

2

1

2

0

+ = + ↑+ − + −

Тут цинк — відновник, оскільки значення його ступеня окис-нення збільшується з 0 до +2. Йон Гідрогену — окисник: зна-чення його ступеня окиснення зменшується з +1 до 0.4. За ознакою поглинання або виділення теплової енергії хімічні

реакції поділяють на ендо- та екзотермічні, оскільки вихідні речовини та продукти реакції мають різний запас енергії.• Екзотермічними називають реакції, перебіг яких супро воджу-ється виділенням теплової енергії (її вимірюють у кіло джоулях, скорочено кДж):

2H2 + O

2 = 2H

2O + 484 кДж

• Ендотермічними називають реакції, які супроводжуються по-глинанням теплової енергії:

N2 + O

2 = 2NO – 181 кДж

5. За ознакою наявності або відсутності каталізатора під час перебігу реакції поділяють на каталітичні й некаталітичні.• Каталітичними називають реакції, які відбуваються за участі каталізатора — речовини, що прискорює їхній перебіг, але сама залишається без змін:

4 5 4 63 2 2NH O NO H O+ → ↑+Pt каталізатор( )

• Некаталітичними називають реакції, які відбуваються без учас ті каталізатора, наприклад миттєво в розчинах:

Cu(NO3)2 + 2KOH = Cu(OH)

2 ↓ + 2KNO

3

Основні поняття. Реакції сполучення. Реакції розкладу. Реакції заміщення. Реакції обміну. Оборотні та необоротні реакції. Ендо- й екзотермічні реакції. Каталітичні та некаталітичні реакції.

159

Запитання та завдання °1. За якими ознаками класифікують хімічні реакції? °2. Які реакції відносять до реакцій: а) сполучення та розкладу;

б) заміщення й обміну; в) оборотних і необоротних; г) ендо- і екзотермічних; ґ) каталітичних і некаталітичних; д) окисно-відновних? Наведіть приклади.

3. Яка з наведених реакцій — реакція сполучення? а) H

2 + Cl

2 → в) CaCO

3 = CaO + CO

2

б) Mg + HCl → г) NaCl + AgNO3 →

4. Яка з наведених реакцій — реакція розкладу? а) Fe + O

2 → в) FeCO

3 →

б) Fe + HCl → г) FeO + C → 5. Яка з наведених реакцій — реакція заміщення? а) Zn + HCl → в) ZnO + H

2SO

4 →

б) Zn + HNO3 → г) ZnCl

2 + AgNO

3 →

6. Яка з наведених реакцій — реакція обміну? а) Na

2O + H

2O → в) Na

2O + CO

2 →

б) Na2O + H

2SO

4 → г) Na + H

2O →

*7. Реакція взаємодії магній хлориду з аргентум(I) нітратом і реакція окиснення сульфур(IV) оксиду киснем за ознакою напрямку реакції:

а) необоротні; в) перша необоротна, друга оборотна; б) оборотні; г) перша оборотна, друга необоротна.

§ 35. Окисно-відновні реакції: найважливіші окисники та відновники

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якіокисникиівідновникивідносятьдонайважливішихічому.

Нагадаємо, що окисно-відновні реакції, з якими ви ознайоми-, з якими ви ознайоми-лися в попередній темі, супроводжуються переходом електронів від одних атомів (або йонів-відновників) до інших атомів (або йонів-окисників), унаслідок чого змінюються ступені окиснення атомів (або йонів). При цьому кількість електронів, відданих від новником, завжди дорівнює кількості електронів, прийнятих окисником.

До найважливіших відновників відносять:• метали Na, K, Ca, Al та ін., що стоять у витискувальному ряду до Аl включно:

2Na S Na S0 0

2

1 2

+ =+ −

Ca H O Ca OH H0

2

1 2

2 2

0

2+ = + ↑+ +

( )

2K F KF0

2

0 1 1

2+ =+ −

160

• неметали H2, C та Si із сильними відновними властивостями:

C FeO CO Fe0 2 2 0

+ = ++ +

Si HF SiF H0 1 4

4 2

0

4 2+ = ++ +

• складні речовини H S,2

2−

H I ,−1

NH−3

3, FeCl+2

2, SnCl+2

2, CO+2

тощо, які містять елементи в найнижчих або низьких ступенях окиснення:

2 3 2 22

2

2

0 4

2

2

2H S O S O H O− + −

+ = + 2 22

2 2

0 3

3

1

FeCl Cl FeCl+ + −

+ =

21 0

2

0

2

2

H I S I H S− −

+ → + SnCl Mg MgCl Sn+ +

+ = +2

2

0 2

2

0

4 3 2 63

3 2

0

2

0

2

2

NH O N H O− −

+ = +До найважливіших окисників відносять, першою чергою, калій

перманганат. Окисні властивості KMnO4 залежать від характеру

середовища, у якому відбувається окисно-відновна реакція. Так,

у кислотному середовищі KMnO+7

4 відновлюється до Mn2+, у нейт-

ральному — до MnO+4

2, а в лужному — до K MnO2

6

4

+

.

2 16 2 5 2 87

4

1 2

2 2

0

2KMnO HCl MnCl Cl KCl H Oкисл

+ − +

+ = + ↑ + +отне

4 2 4 3 47

4 2

2 4

2 2

0

KMnO H O MnO O KOH+ − +

+ = ↓ + ↑ +нейтральне

2 2 27

4 2

4

3 2

6

4 2

6

4 2KMnO K S O K MnO K S O H O+ + + +

+ + = + +KOHлужне

Сильні окисні властивості має калій дихромат:

K Cr O HCl ( .) CrCl Cl H O+ KCl2 2

6

7

1 3

3

0

2 22 3 7 2+ +

+ = + ↑ +14 конц−

У періодах Періодичної системи зі збільшенням порядкового номера елемента зростає заряд ядра його атома та кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні, а отже, і елект-ростатична взаємодія між ядром та електронами. Через це їхні відновні властивості зменшуються, а окисні — збільшуються.

У головних підгрупах, або А-групах, зі збільшенням номера періоду збільшується радіус атома, а отже, зменшується елек-тростатична взаємодія ядра атома із зовнішніми (валентними) елек-тронами. Тому їхні відновні властивості збільшуються, а окис ні — зменшуються.

Аналіз наведених рівнянь ОВР показує, що кожна із цих реак-цій являє собою сукупність двох взаємопов’язаних процесів — окиснення та відновлення. У процесі окиснення ступінь окиснення атомів збільшується, оскільки вони втрачають електрони. Під час відновлення ступінь окиснення атомів знижується, оскільки вони приєднують електрони.

161

Таким чином:

окиснення — це втрата електронів атомами (молекулами, йонами)елементів, що входять до складу простих або складних речовин-реагентів, а отже, і збіль шення їхніх ступенів окиснення;

відновлення — це приєднання електронів атомами (молекулами, йонами) елементів, що входять до складу простих або складних речовин-реагентів, а отже, і зменшення їхніх ступенів окиснення.

Основні поняття. Найважливіші окисники. Найважливіші відновники.

Запитання та завдання °1. Які речовини відносять до найважливіших: а) відновників;

б) окисників? 2. У якому випадку та чи інша речовина в окисно-відновних

реакціях здатна виявляти властивості: а) тільки відновника; б) тільки окисника; в) як відновника, так і окисника? Наведіть приклади.

3. Складіть рівняння окисно-відновних реакцій: а) алюмінію з хло рид-ною кислотою; б) водню з купрум(ІІ) оксидом; в) карбон(ІІ) оксиду з киснем. Укажіть окисники й відновники.

4. Вставте пропущені слова. Атоми, молекули або йони, що віддають електрони, називають … .

Під час реакції вони … . Атоми, молекули або йони, що приймають електрони, називають … . У ході реакції вони … .

5. Укажіть, яка з реакцій є окисно-відновною: а) розкладання вапняку; б) розкладання нітратної кислоти; в) нейтралізація нітратної кислоти; г) взаємодія вапняку з нітратною кислотою. 6. Прикладом реакції, що відбувається без зміни ступеня окиснення

елементів, є: а) дія натрій хлориду на аргентум(I) нітрат; б) взаємодія міді з хлором; в) взаємодія цинку з кислотою; г) розкладання нітратної кислоти. *7. Замість букв вставте назви відповідних хімічних елементів. У четвертому періоді елемент (А) — найактивніший окисник, а еле-

мент (Б) — найактивніший відновник. Серед елементів VIA-групи найактивнішим окисником є елемент (В), а найслабші окисні вла-стивості виражені в елемента (Г).

*8. Методом електронного балансу розставте коефіцієнти в схемах реакцій:

а) Mg(NO3)2 → MgO + NO

2↑ + O

2↑; в) K

2SO

4 + C → K

2S + СO↑;

б) Ba + CO2 → BaCO

3 + C; г) CuS + FeCl

3 → CuCl

2 + FeCl

2 + S↓.

162

§ 36. Поняття про енергетику хімічних реакцій

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•чомувходіхімічноїреакціївиділяєтьсяабопоглинаєтьсятепловаенергія;•чиможнаїївиміряти;•щотакетепловийефектреакції.

Усі хімічні перетворення одних речовин на інші завжди су-проводжуються виділенням або поглинанням теплової енергії. Це пояснюють тим, що вихідні речовини та продукти реакції мають різний запас внутрішньої енергії:

2H2 (г) + O

2 (г) = 2H

2O (г) + 484 кДж

N2 (г) + O

2 (г) = 2NO (г) – 181 кДж

Закон збереження енергії для будь-якого хімічного процесу має вигляд:

Q U U A U A= − + = ∆ +( ) ,2 1

де Q — теплота; U

2 та U

1 — внутрішня енергія відповідно кінцевого та вихід-

ного стану системи; А — робота проти всіх сил, що діють на систему (зовнішній

тиск, сили поверхневого натягу тощо).Отже, підведена до системи (будь-якої хімічної речовини або

сукупності речовин) теплота витрачатиметься на зміну її внут-рішньої енергії та виконання роботи.

Внутрішня енергія — це енергія поступального та обертального руху молекул, коливального руху атомів усередині молекул, руху електронів в атомах.

У хімічних реакціях виконувана робота за постійного тиску дорівнює:

A = p (V2 – V

1),

де V2 і V

1 — кінцевий і вихідний об’єм речовини відповідно.

У такому разі теплота Qp, підведена до системи в ізобарному

процесі (тобто такому, що відбувається за постійного тиску), становить:

Qp = (U

2 – U

1) + p (V

2 – V

1) = (U

2 + pV

2) – (U

1 + pV

1).

Якщо U + pV позначити H, то отримаємо:

Q H H Hp = − = ∆2 1

Величину H називають ентальпією, або тепловмістом. Отже, ∆H — зміна ентальпії продуктів реакції порівняно з ен-

тальпією вихідних речовин в ізобарному процесі — чисельно дорівнює підведеній або виділеній теплоті.

163

Тепловий ефект реакції — це кількість теплоти, яка виді-ляється під час екзотермічної реакції або поглинається під час ендотермічної реакції.

Демонстраційний дослідЕндо­ та екзотермічні реакції на прикладі реакції нейтралізаціїДослідипроводятьукалориметрі—пристроїдлявимірюваннятепловогоефектуреакції(рис.30).

Рис. 30. Калориметр: 1 — зовнішній стакан місткістю 500 мл; 2 — внутрішній стакан реак-ційною місткістю 250 мл; 3 — підставка з кор-ка; 4 — кришка з оргскла з трьома отворами для лійки, мішалки та термометра; 5 — лійка; 6 — мішалка; 7 — термометр із ціною поділки шкали 0,1 °С. Мішалка може бути ручною або під’єднаною через автотрансформатор до елек-

тромотора, що працює від електромережі

7 56

4

2

3

1

Усухийреакційнийстаканкалориметраналивають25млрозчинунатрійгідроксидумолярноюконцентрацією1моль/л.Занурюютьурозчинлугу(неторкаючисьднастакана)термометрівимірюютьтемпературурозчину.Уневеликийстаканналивають25млхлоридної кислоти та вимірюють їїтемпературу,оскількитемпературилугуікислотимаютьбутиоднаковими.Швидко, але обережно виливають хлоридну кислоту крізь скляну лійкув  реакційний стакан із лугом і, перемішуючи розчин мішалкою, спо-стерігаютьзазміноютемператури.Залежновідтого,знижуєтьсячипідвищуєтьсятемпературарозчину,роблятьвисновок,якоюєпроведенареакціянейтралізації—ендо-чиекзотермічною.Для проведення ендотермічної реакції в пробірку з газовідвідною труб-кою насипають малахіт — речовину світло-зеленого кольору. Її складвиражають формулою Cu

2CO

3(OH)

2 або (CuOH)

2CO

3 — це купрум(ІІ) ди-

гідроксидкарбонат,основнасіль.Закріплюютьпробіркувштативітапро-жарюютьуполум’їгазовогопальника(180–200 °С).Газоподібніпродукти,щоприцьомуутворюються:

(CuOH) CO = 2CuO+H O+CO2 3

t

2 2,

відводятьустаканзвапняноюводою—розчиномCa(OH)2.Черездеякий

часустаканівипадаєосадбілогокольору:

Ca(OH) +CO = CaCO + H O2 2 3 2↓Упробірціутворюєтьсяречовиначорно-коричневогокольору—купрум(ІІ)оксид.Через тещореакція його утворення відбувається з поглинаннямтепловоїенергії,їївідносятьдоендотермічних.

164

Основні поняття. Внутрішня енергія. Робота. Ентальпія. Тепло-вий ефект реакції.

Запитання та завдання °1. Чому перебіг будь-якої хімічної реакції супроводжується

виділенням або поглинанням теплової енергії? °2. Як формулюють закон збереження енергії? °3. Що таке внутрішня енергія? Тепловий ефект реакції? 4. Яку величину називають ентальпією? Як її позначають та в яких

одиницях вимірюють? 5. До екзотермічних реакцій відносять: а) горіння сірки; б) взаємодію

заліза з киснем; в) розчинення концентрованої сульфатної кислоти у воді; г) розкладання амоній дихромату (NH

4)2Cr

2O

7; ґ) горіння азо-ґ) горіння азо-) горіння азо-

ту; д) реакцію хлору з киснем. Скільки помилок у цьому судженні? Які з них хибні?

а) 2; б) 1; в) 4; г) 3. 6. Із переліку реакцій виберіть ендотермічну: а) 2H

2O = 2H

2 + O

2; в) SO

3 + H

2O = H

2SO

4;

б) Na2O + H

2O = 2NaOH; г) Fe + CuSO

4 (p) = FeSO

4 + Cu ↓.

§ 37. Термохімічні рівняння. Закон Гесса. Найпростіші розрахунки за термохімічними рівняннями

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якірівнянняназиваютьтермохімічнимитаякїхскладати;•щотакестандартнавеличинатепловогоефектуйвідчоговоназалежить;•якпроводитирозрахункимасийоб’ємупродуктівреакціїтапотрібноїдляцьоготеплотизатермохімічнимирівняннями.

Термохімічні рівняння. Рівняння хімічних реакцій, у яких наведено тепловий ефект реакції, називають термохімічними.

Щоб теплові ефекти різних реакцій можна було порівнювати між собою, їх визначають за стандартних умов: p = 101,325 кПа (або 101 кПа) і 298,15 К (або 298 К), а також указують агрегатний стан кожного компонента. Зміну ентальпії записують як ∆H

T0

або ∆H0298

. При цьому верхній індекс 0 означає стандартну величину теплового ефекту (тобто визначену за стандартних умов) реакції, а нижній Т — температуру, за якої відбувається взаємодія.

У термохімічних рівняннях, крім символів хімічних елементів і теп лового ефекту, часто вказують агрегатний стан реагентів

165

і про дуктів реакції. Про необхідність такої форми запису можна су ди ти на прикладі порівняння двох термохімічних рівнянь:

2H2 (г) + O

2 (г) = 2H

2O (г) + 492 кДж

2H2 (г) + O

2 (г) = 2H

2O (р) + 572 кДж

Різниця теплових ефектів цих реакцій відповідає теплоті, яка виділяється під час конденсації 2 моль води: 572 кДж – 492 кДж = = 80 кДж. Отже, тепловий ефект реакції залежить від агрегатного стану речовин, як вихідних, так і кінцевих.

Часто користуються такою формою запису термохімічних рів-нянь, відповідно до якої утворюється 1 моль продукту реакції. Тоді стехіометричні коефіцієнти при формулах інших речовин можуть бути нецілочисловими:

H2 (г) + 1/2 O

2 (г) = H

2O (г) + 246 кДж/моль

Іноді в записі термохімічного рівняння використовують символ зміни стандартної ентальпії ∆H

р-ції, тоді знак перед значенням

теплового ефекту змінюють на протилежний:

2H2 (г) + O

2 (г) = 2H

2O (г), ∆ = −H298

0 492 кДж

I2 (тв) + H

2 (г) = 2HI (г) – 52 кДж або

I2 (тв) + H

2 (г) = 2HI (г), ∆ = +Hр�ції кДж52

Закон Гесса. На основі широких і систематичних досліджень хімічних реакцій, що супроводжуються виділенням або поглинан-ням теплоти, Г. Гесс сформулював закон:

тепловий ефект хімічної реакції не залежить від шляху її перебігу, а залежить лише від природи та агрегатного стану (твердого, рідкого, газоподібного) вихідних речовин і продуктів реакції.

Іншими словами, тепловий ефект будь-якої хімічної реакції не залежить від того, чи утворилася сполука відразу із вихідних речовин, чи її утворення відбулося внаслідок перебігу низки послідовних реакцій. Це можна пояснити на прикладі перетворення вуглецю (графіту) на карбон(IV) оксид:

C + 1/2 O2 = ÑO; CO + 1/2 O

2 = ÑO

2

C + O2 = CO

2, ∆H = –396 êÄæ

∆H1 = –110,5 êÄæ

C (òâ) CO2 (ã)

∆H2 = –285,5 êÄæ

Усі вказані реакції відбуваються з виділенням теплоти, тобто є екзотермічними. Відповідно до закону Гесса:

∆ + ∆ = ∆H H H1 2

–110,5 кДж – 285,5 кДж = –396 кДж.

166

Приклади розв’язування задачПриклад 1. Під час розкладання 222 г кальцій гід-Під час розкладання 222 г кальцій гід- 222 г кальцій гід-

роксиду поглинається 2955 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.

Дано:m(Ca(OH)

2) = 222 г

Q = 2955 кДж

Розв’язання1. Записуємо термохімічне рівняння реакції розкладу Ca(OH)

2:

Ca(OH) CaO H O,2 2= + ∆H0298

— ?Наведене рівняння відповідає розкладанню 1 моль Ca(OH)

2, тобто 74 г.

Термохімічне рів-няння — ?

2. Обчислюємо кількість речовини Ca(OH)2:

ν(Ca(OH) .(Ca(OH)

(Ca(OH)

/2

2

2

222

743)

)

)= = =

m

M

г

г мольмоль

3. Кількість теплоти, що відповідає 1 моль Ca(OH)2, визначаємо

з пропорції:на розкладання 3 моль Ca(OH)

2 витрачено 2955 кДж теплоти,

а на розкладання 1 моль Ca(OH)2 — x кДж теплоти.

Звідси x = =1 2955

3985

моль кДж

молькДж

æ .

Термохімічне рівняння розкладу Ca(OH)2 має такий вигляд:

Ca(OH) CaO H O,2 2= + ∆ =H2980 985 кДж.

Приклад 2. Термохімічне рівняння згорання ацетилену таке: 2C

2H

2 (г) + 5O

2 (г) = 4СO

2 (г) + 2H

2O (р), ∆ = −H298

0 2520 кДж. Скільки теп лоти виділиться внаслідок згорання 5,0 л (н. у.) ацетилену?

Дано:2C

2H

2 (г) + 5O

2 (г) =

= 4СO2 (г) + 2H

2O (р),

∆ = −H2980 2520 кДж

V(C2H

5) = 5 л (н. у.)

Розв’язанняІз термохімічного рівняння реакції:у результаті згорання 2 моль C

2H

2, тоб-

то 2 ∙ 22,4 л, виділяється 2520 кДж теп-лоти, тоді внаслідок згорання 5 л C

2H

2

виділиться x кДж теплоти. ЗвідсиQ — ?

x = =5 2520

44 8281 25

л кДж

лкДж

æ

,, .

Відповідь: 281,25 кДж.

Приклад 3. Термохімічне рівняння реакції утворення фосфор(V) оксиду: 4P (тв) + 5O

2 (г) = 2P

2O

5 (тв), ∆ = −H298

0 2984 кДж.Визначте масу фосфору та об’єм кисню (н. у.), що вступили в реакцію, якщо при цьому виділилося 746 кДж теплоти.

167

Дано:4P (тв) + 5O

2 (г) =

= 2P2O

5 (тв),

∆ = −H2980 2984 кДж

Q = 746 кДж

Розв’язання1. Записуємо термохімічне рівняння го-ріння фосфору та підставляємо дані:

4P 5O 2P O2 2 5( ) ( ) ( ),

тв г твг

г л л

лx y

4 31 124 5 22 4 1122980

298æ æ= =

+ = + ∆H44 кДж

кДж746

2. Обчислюємо:

m x( )P = = =4 31 746

298431

æ æг кДж

кДжг;

m(P) — ? V(O

2) (н. у.) — ?

V y( ),

O .2

5 22 4 746

298428= = =

æ æл кДж

кДжл

Відповідь: 31 г; 28 л.

Приклад 4. Унаслідок згорання 102 г гідроген сульфіду виді-лилося 16 851 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння зго-851 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння зго-рання гідроген сульфіду.Дано:m(H

2S) = 102 г

Q = 16 851 кДж

Розв’язанняЗапишемо термохімічне рівняння реакції згорання гідроген сульфіду та підставимо в нього необхідні дані:

2H S ( ) O H O ( ) 2SO22 34 68

102

2 2 2 2980

16 85

3 2г г г гг г

г

кДжæ =

+ = + + ∆( ) ( ) Hx

11 кДж

x = =⋅68 16 851

10211234

г кДж

гкДж.

Термохімічне рівняння реакції згорання H

2S — ?

Відповідь: 2H2S (г) + 3O

2 (г) = 2H

2O (г) + 2SO

2 (г) + 11 234 кДж.

Приклад 5. Скільки теплової енергії треба витратити, щоб одержати 4 моль карбон(IV) оксиду, якщо термічне розкладання кальцій гідрогенкарбонату можна подати термохімічним рівнян-

ням Ca(HCO ) CaO H O 2CO3 2 2 2= + + ↑t

, ∆ =H2980 2344 кДж ?

Дано:

Ca(HCO ) CaO H O 2CO3 2 2 2= + + ↑t

∆ = +H2980 2344 кДж

ν(CO2) = 4 моль

Розв’язанняЗаписуємо термохімічне рівняння реакції та підставляємо в нього да-ні з умови задачі:

Ca(HCO ) CaO H O 2CO3 2 2 22

4

2980

2344

= + + + ∆t x

моль

моль

кДж

кДж

H

x = =4 2344

24688

моль кДж

молькДж

æ.

Q — ?

Відповідь: 4688 кДж.

168

Основні поняття. Термохімічне рівняння. Шлях реакції. Стан-дартна величина теплового ефекту.

Запитання та завдання °1. Які рівняння хімічних реакцій називають термохімічними? °2. Сформулюйте закон Гесса. У чому полягає його суть? 3. На основі термохімічного рівняння реакції розкладу магній

гідроксиду Mg(OH)2 = MgO + H

2O, ∆ =H298

0 925 кДж обчисліть масу магній гідроксиду, що розклалася, якщо в процесі

реакції було витрачено 185 кДж теплоти. 4. Під час згорання на повітрі порошкоподібного алюмінію масою 16 г

виділилося 496,6 кДж теплоти. Запишіть термохімічне рівняння згорання алюмінію.

5. Термохімічне рівняння утворення амоніаку таке:

3H2 (г) + N

2 (г) = 2NH

3 (г), ∆ = −H298

0 92 .кДж Скільки теплоти виділиться під час утворення 28 л амоніаку? 6. Унаслідок розкладання кальцій карбонату масою 200 г витрачають

2414 кДж теплоти. Скільки теплоти треба витратити на розкладання кальцій карбонату, узятого масою 30 г?

7. Термохімічне рівняння реакції розкладу води таке:

2H2O (г) = 2H

2 (г) + O

2 (г), ∆ =H298

0 484 .кДж Скільки теплоти треба витратити для розкладання 135 г газоподібної

води? 8. Термохімічне рівняння реакції утворення алюміній хлориду:

2Al (тв) + 3Cl2 (г) = 2AlCl

3 (тв), ∆ = −H298

0 704 2, .кДж Визначте масу та об’єм (н. у.) хлору, що вступив у реакцію, якщо

виділилося 176 кДж теплоти. 9. Складіть термохімічне рівняння реакції, якщо під час взаємодії

азоту з 2 моль кисню поглинається 361 кДж теплової енергії. 10. Термохімічне рівняння реакції розкладу кальцій гідроксиду: Ca(OH) CaO H O ,2 2( ) ( ) ( )кр кр п= + ∆ =H 64 .кДж Скільки теплоти треба витратити для розкладання 185 г Ca(OH)

2?

11. Складіть термохімічне рівняння реакції, якщо під час взаємодії алюмінію масою 3 г із сіркою виділяється 28,3 кДж теплової енергії.

12. Скільки теплової енергії треба витратити, щоб одержати 3 моль BaO, якщо термічне розкладання барій карбонату можна подати таким термохімічним рівнянням:

BaCO BaO CO ,3 2( ) ( ) ( )кр кр г= + ∆ =H2980 270 кДж?

13. Термохімічне рівняння згорання вуглецю в кисні таке: C ( ) O CO ( ),тв г г+ =2 ( ) ∆ = −H 393 кДж. Яка маса вуглецю та об’єм кисню (н. у.) вступили в реакцію, якщо

внаслідок цього отримано 78,6 кДж теплової енергії? 14. Обчисліть тепловий ефект реакції (його значення наведіть

у термохімічному рівнянні) утворення натрій гідроксиду шляхом взаємодії натрій оксиду масою 15,5 г з водою, яке супроводжується виділенням 213 кДж теплоти.

169

15. Обчисліть тепловий ефект реакції розкладу кальцій гідро ксиду (його значення наведіть у термохімічному рівнянні), яка су проводжується поглинанням 246,5 кДж теплоти та утворенням каль цій оксиду масою 14 г та води.

§ 38. Поняття про хімічну кінетику. Швидкість хімічної реакції

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакешвидкістьхімічноїреакції;•відякихфакторіввоназалежить;•якомузаконувонапідпорядковується.

Що таке хімічна кінетика. Одним з основних параметрів будь-яких хімічних процесів є швидкість, з якою ці процеси відбуваються.

Учення про швидкість хімічних реакцій називають хімічною кінетикою.

Основне поняття в хімічній кінетиці: швидкість хімічної реакції — фізична величина, що визначаєть-

ся зміною концентрацій реагуючих речовин за одиницю часу.Швидкість хімічної реакції позначають V та вимірюють

у моль л с/ æ або моль л сæ æ− −1 1.Середню швидкість реакції V

сер в інтервалі часу від t

1 до t

2

визначають співвідношенням

VC C

t t

C

tсер = ± = ±

−

−

∆

∆2 1

2 1

,

де C1 і C

2 — молярна концентрація будь-якого учасника реакції

(моль/л) у моменти часу t1 і t

2 відповідно (с).

Знак «–» перед дробом належить до концентрації вихідних ре-човин, оскільки їхня концентрація в процесі реакції зменшується: ∆ <C 0; знак «+» — до концентрації продуктів реакції, оскільки їхня концентрація в процесі реакції збільшується: ∆ >C 0.

Основні фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції: • природа речовин, що реагують; • їхня концентрація; • тиск (якщо в реакції беруть участь газоподібні речовини); • температура; • наявність каталізатора; • площа поверхні розділу фаз (для гетерогенних реакцій, тобто реакцій, у яких беруть участь речовини, що утворюють неоднорідну суміш).

170

Гомогенною називають систему, яка складається з однієї фази (наприклад, розчин цукру у воді), гетерогенною — систему, що складається з декількох фаз. Наприклад, у результаті реакції

Pb(NO)3 (р) + Na

2SO

4 (р) = PbSO

4 (тв) ↓ +2NaNO

3 (р)

випадає осад — система стає гетерогенною.Фаза — це частина системи, яка відрізняється за своїми фізич-

ними або хімічними властивостями від інших її частин і відділена від них поверхнею розділу, у разі переходу через яку властивості системи різко змінюються.

Закон діючих мас. Хімічні реакції відбуваються внаслідок того, що мікрочастинки (атоми, йони, молекули) речовин стикаються одна з одною. З одного боку, що частіше відбуваються зіткнення цих частинок в одиниці об’єму розчину або газової суміші, то з більшою швидкістю відбувається будь-яка хімічна реакція. З дру гого — частота зіткнень, а отже, і швидкість реакції залежать від кон центрації речовин: що більше атомів, йонів або молекул реа ген тів в одиниці об’єму реакційного середовища, то більша кіль кість їхніх зіткнень (рис. 31).

Вплив концентрації реагентів на швидкість хімічної реакції виражає основний закон хімічної кінетики — закон діючих мас:

швидкість хімічних реакцій за постійної температури прямо про-порційна добутку концентрацій речовин, що реагують, у сте пенях їхніх стехіометричних коефіцієнтів у рівняннях реакцій.

Зі зменшенням концентрацій вихідних речовин швидкість будь-якої реакції спадає (рис. 32).

Для реакції, яка відбувається згідно з рівняннямaA + bB = dD,

математично закон діючих мас можна описати таким кінетичним рівнянням:

V k C Ca b= æ æ( ) ( ),A B

a

á

Рис. 31. Вплив концентрації реагентів (за даної температури): а — концентрація низька; б — концентрація висока

171

де V — швидкість реакції, моль/лæс; k — коефіцієнт пропорційності; C(A) і C(B) — молярні концентрації речовин A і B, моль/л; a і b — стехіометричні коефіцієнти при реагентах у рівнянні

реакції.У випадку гетерогенних реакцій у вираз швидкості реакції вхо-

дять концентрації тільки тих речовин, які перебувають у газовій фазі або розчині.

Коефіцієнт пропорційності k називають константою швидкості хімічної реакції, яка чисельно дорівнює швидкості реакції, якщо концентрації речовин, що реагують, дорівнюють одиниці.

Константа швидкості k залежить від температури та природи речовин, які реагують, і не залежить від їхньої концентрації.

У вираз для швидкості гетерогенних реакцій входять лише концентрації тих речовин, які перебувають у газоподібному або розчиненому стані.

У випадку гомогенної реакції, наприклад:

NaCl (р) + AgNO3 (р) = NaNO

3 (р) + AgCl ↓ (тв),

закон діючих мас можна описати так:

V = k ∙ C(NaCl) ∙ C(AgNO3)

Якщо ж реакція є гетерогенною:

Zn (тв) + 2HCl (р) = ZnCl2 (р) + H

2 (г),

то математичний вираз закону діючих мас матиме такий вигляд:

V k C= æ 2 ( )HCl

C 11,0

1,5

0,5

0 10 20 30 40 50

×àñ t, c

Êîí

öåí

òðàö

³ÿ Ñ

, ì

îëü/

ë

C 2

∆C

Рис. 32. Залежність концентрації вихідної речовини від часу перебігу реакції

172

Демонстраційний дослідЗалежність швидкості хімічної реакції від концентрації речовинБерутьчотирисухі чисті пробіркийнумерують.Упробірку2наливають2 млводи,упробірку3—3мл,упробірку4—4 млводи.Упробірці1буде0мл води. У всі пробіркидодають по 6млрозчину сульфатної кислотиконцентрацією 1 моль/л. Скляною паличкою перемішують одержанірозчинивпробірках2–4.Поміщаютьїхнадеякийчасусклянийхімічнийстаканзводоюдлявирівнюваннятемпературивмістукожноїпробірки.Зважують на папірцях по 0,1 г порошкоподібного купрум(ІІ) оксиду.Висипають порцію купрум(ІІ) оксиду в пробірку 1, вмикають секундомірі,перемішуючивмістпробіркискляноюпаличкою,фіксуютьчас(t)появиледьпомітногоблакитно-синьогозабарвленнярозчину.Виконуютьаналогічнідослідивіншихтрьохпробірках.На основі одержаних даних можна обчислити швидкість реакції за

формулою V Ct

=100æ і концентрацію отриманих розчинів за формулою

C a

a b(H SO )= ,2 4

+ деa—об’ємрозчинуH

2SO

4(віноднаковийувсіхдослідах

ідорівнює6мл);b—об’ємводи,якийзалежновідномерапробірки1,2,3,4дорівнюєвідповідно0,2,3і4мл.

Основні поняття. Хімічна кінетика. Швидкість хімічної реакції. Константа швидкості хімічної реакції. Закон діючих мас.

Запитання та завдання 1. Що розуміють під поняттям «швидкість хімічної реакції»?

Як її позначають і в яких одиницях виражають? 2. Які фактори, що впливають на швидкість хімічних реакцій, відносять

до основних? 3. Завдяки яким факторам під час зіткнення частинок речовин між

ними відбувається хімічна реакція? 4. Яким законом хімічної кінетики виражають вплив концентрації

реагентів на швидкість хімічної реакції між ними? 5. Як обчислюють швидкість хімічної реакції за постійної температури? 6. Від яких факторів залежить константа швидкості хімічної реакції? *7. За даними демонстраційного досліду складіть рівняння реакції,

обчисліть масову частку речовин у використаних розчинах і швид-кість реакції в кожному з них. Побудуйте на міліметровому папері графік залеж ності швидкості реакції (вісь ординат) від концентрації реагенту (вісь абсцис). Зробіть висновки.

173

§ 39. Обчислення швидкості та константи швидкості реакції за законом діючих мас

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якірозрахункиможнапроводити,користуючисьзакономдіючихмас.

Приклади розв’язування задачПриклад 1. Складіть математичні вирази швидкості

прямої реакції в таких системах речовин, що реагують:

1) 2CO (г) + O2 (г) L 2CO

2 (г)

2) 2NO (г) + O2 (г) L 2NO

2 (г)

3) 2HCl (р) + Ba(OH)2 (р) = BaCl

2 (р) + 2H

2O (р)

4) 2NaOH (р) + CO2 (г) = Na

2CO

3 (р) + H

2O (р)

5) CaCO3 (тв) + 2HNO

3 (р) = Ca(NO

3)2 (р) + CO

2 (г) + H

2O (р)

Розв’язанняРеакції, описані рівняннями 1–3, є гомогенними, оскільки всі

речовини перебувають в однаковому агрегатному стані. Реакції, описані рівняннями 4–5, — гетерогенні, оскільки речовини пере-бувають у різних агрегатних станах.

1) V k C Cпр пр= 22( ) ( );CO Oæ V k Cзв зв= æ 2

2( );CO

2) V k C Cпр пр= 22( ) ( );NO Oæ V k Cзв зв= æ 2

2( );NO

3) V k C Cпр пр= 22( ) ( );HCl Ba(OH)æ

4) V k C Cпр пр= ⋅22(NaOH) (C );O

5) тільки V k Cпр пр= 23( ).HNO

Зворотна реакція у випадках 3–5 не відбувається, це необоротні реакції.

Приклад 2. Визначте швидкість прямої реакції, що відбувається згідно з рівнянням реакції N H NH2 2 33 2( ) ( ) ( )г г г+ � у початковий момент часу, якщо константа швидкості цієї реакції 5 10 3æ − , а концентрації речовин N

2 і H

2 відповідно дорівнюють 0,2 моль/л

та 0,6 моль/л.

Дано:kпр =

−5 10 3æC(N

2) = 0,2 моль/л

C(H2) = 0,6 моль/л

Розв’язанняV k C Cпр пр= = =−æ æ æ æ æ(N (H2

32

3 35 10 0 2 0 6) ) , ( , )

= −2 16 10 4, ).æ æ ( /моль л с

Відповідь: 2 16 10 4, .æ æ− /моль л сV

пр — ?

174

Приклад 3. Вихідні концентрації нітроген(ІІ) оксиду та кисню дорівнювали відповідно 4 моль/л і 2 моль/л, а через 20 хв за певної температури концентрація нітроген(ІІ) оксиду становила 2,8 моль/л. Обчисліть середню швидкість реакції, константу швидкості реакції та концентрацію кисню після 20 хв перебігу реакції.

Дано:C

1(NO) = 4 моль/л

C(O2) = 2 моль/л

C2(NO) = 2,8 моль/л

∆t =20 хв

Розв’язання1. Записуємо рівняння реакції:2NO (г) + O

2 (г) = 2NO

2 (г)

2. Визначаємо зміну концентрації нітро-ген(II) оксиду:∆ = − =C( ) , ,NO / / / .4 2 8 1 2моль л моль л моль л

3. Визначаємо зміну концентрації кисню:

∆C O C( ) ( ) , , .2

1

2

1

21 2 0 6= ∆ = =NO / /æ моль л моль л

∆C(O2) — ?

V — ? k — ?

4. Концентрація кисню через 20 хв перебігу реакції становить:

С(O2) = 2 моль/л – 0,6 моль/л = 1,4 моль/л.

5. Швидкість реакції обчислюємо за формулою

VC

t=∆

∆

(NO)

2æ або V

C

t=∆

∆

(O2 ).

Тоді

VC

t

C

t= = = =∆

∆

∆

∆−(NO (O /

/) ) ,

( ).

2

1 2

2 20 602 45 10

æ æ ææ æ

моль л

смоль л с

6. Константу швидкості реакції обчислюємо за формулою

V k C Cр�ції = ∆ ∆æ æ22(NO (O) ); звідси

kV

C C= = =∆ ∆

−−р�ції

22

4

2

45 10

1 2 0 65 8 10

(NO (O) ) ( , ) ,, .

æ

æ

ææ

Відповідь: 5 10 4æ æ− /моль л с; 5 8 10 4, ;æ − 1,4 моль/л.

Запитання та завдання

°1. Складіть математичний вираз швидкості прямих реакцій:

2H2S (г) + 3O

2 (г) = 2SO

2 (г) + 2H

2O (г)

4NH3 (г) + 5O

2 (г) = 4NO (г) + 6H

2O (г)

CuSO4 (р) + 2NaOH (р) = Cu(OH)

2 (тв) ↓ + Na

2SO

4 (р)

BaCO3 (тв) + 2HCl (р) = BaCl

2 (р) + H

2O (р) + CO

2 (г)

Fe2O

3 (тв) + CO (г) = 2FeO (тв) + CO

2 (г)

175

°2. Як зміниться швидкість прямої реакції 2CO (г) + O2 (г) = 2CO

2 (г),

якщо концентрацію карбон(ІІ) оксиду збільшити в 4 рази?

3. Вихідні концентрації гідроген сульфіду та кисню дорівнювали відповідно 2 моль/л і 3 моль/л, а через 30 хв за певної температури концентрація гідроген сульфіду становила 1 моль/л. Обчисліть зміну концентрації кисню та середню швидкість реакції, що відбувається за рівнянням 2H

2S (г) + 3O

2 (г) = 2SO

2 (г) + 2H

2O (г).

4. У системі речовин 4NH3 (г) + 3O

2 (г) = 4N

2 (г) + 6H

2O (г) початкова

концентрація амоніаку дорівнювала 2 моль/л, а кисню — 1,5 моль/л. Через 10 с за певної температури перебігу реакції концентрація амоніаку стала 1 моль/л. Визначте швидкість та константу швидкості цієї реакції за законом діючих мас.

5. Визначте швидкість реакції 2А (г) + В (г) = А2В (г) у початковий момент

часу, якщо константа швидкості становить 6 10 2æ − , а концентрації речовин А і В відповідно дорівнюють 0,3 моль/л і 0,4 моль/л.

6. Як зміниться швидкість прямої реакції 2H2 (г) + O

2 (г) = 2H

2O (г),

якщо концентрацію вихідних речовин водню та кисню збільшити в 4 рази?

7. У скільки разів необхідно збільшити концентрацію гідроген сульфіду або кисню для реакції 2H

2S (г) + O

2 (г) = 2S (тв) + 2H

2O (р), щоб

в обох випадках швидкість реакції зросла в 4 рази?

8. Як зміниться швидкість прямої реакції O2 (г) + N

2 (г) = 2NO (г) зі

збіль шен ням концентрації кисню й азоту в 3 рази?

9. У реакційній посудині почалася реакція O2 (г) + 2CO (г) = 2CO

2 (г).

Через деякий час концентрації O2 і CO стали дорівнювати відповідно

0,7 моль/л і 1,6 моль/л. Обчисліть вихідну концентрацію кисню O2,

якщо вихідна концентрація CO становила 2,3 моль/л.

10. Як зміниться швидкість прямої реакції взаємодії вуглекислого газу та водню CO H CH H O

2 2 4 24 2( ) ( ) ( ) ( ),г г г г+ +� якщо концентрації

ви хід них речовин збільшити в 3 рази? 11. Реакція між речовинами А і В відбувається згідно з рівнянням

2А (г) + В (г) = А2В (г). Концентрація речовини А дорівнює 5 моль/л,

а речовини В — 2 моль/л. Якою є швидкість цієї реакції, якщо константа швидкості дорівнює 0,5?

*12. Реакція NH3 (г) + HCl (г) = NH

4Cl (тв) відбувається зі швидкістю

2 /моль л сæ при концентраціях NH3 і HCl, що відповідно дорівнюють

2 і 4 моль/л. Якою є константа швидкості цієї реакції? *13. Швидкість реакції 2NO (г) + O

2 (г) = 2NO

2 (г) при концентрації

нітроген(ІІ) оксиду 0,4 моль/л і кисню 0,2 моль/л дорівнює 0,016 моль/л ∙ с. Обчисліть константу швидкості цієї реакції.

176

§ 40. Залежність швидкості хімічної реакції від температури і природи реагуючих речовин

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якзалежитьшвидкістьхімічноїреакціївідтемператури;•яквпливаєнашвидкістьреакціїприродареагуючихречовин.

Залежність швидкості реакції від температури. Чи впливає тем пература реакційного середовища на швидкість реакції? З підви щенням температури загальна частота зіткнень частинок реа гентів зростає. Збільшується і частота ефективних зіткнень, які спри чиняють перетворення речовин, отже, зростає і швидкість реак ції. На рис. 33 проілюстровано вплив температури на швид-кість реакції.

a

á

Рис. 33. Вплив температури (за однакової концентрації реаген-тів) на швидкість реакції: а — за нижчої температури кількість зі-ткнень частинок невелика, швид-кість реакції мала; б — за під-ви щеної температури кількість зіткнень вища і швидкість реакції

зростає

Проведемо реакцію за різних температур.

Демонстраційний дослідЗалежність швидкості хімічної реакції від температури

Учотирипронумерованіпробірки1,2,3 і 4наливаютьпо4 млрозчинусульфатної кислоти концентрацією 1 моль/л, на чотирьох окремихпапірцях 1а, 2а, 3а, 4а зважують по 0,1 г порошкоподібного купрум(ІІ)оксиду.Пробірки1,2,3,4ставлятьвстаканзводою.Через5хввимірюютьтемпературуводив стакані.Виймають із водипробірку1 і всипаютьдонеї, перемішуючи, порцію купрум(ІІ) оксиду з папірця 1а, фіксують часвід моменту змішування до появи ледь помітного блакитно-синьогозабарвленнярозчину.Нагрівають стакан з водою на 10  °С більше від первісної температуриі проводятьаналогічнийдослідзрозчином2 і порцієюкупрум(ІІ)оксидуз папірця2а.Розчинупробірці3,нагрітийдотемператури,на10 °Свищоїзатемпературурозчинувпробірці2,змішуютьзпорцієюCuOнапапірці3а.Нарешті,підігрівшивстаканізводоюрозчинH

2SO

4впробірці4щена

10°С,проводятьдослідзпорцією,зваженоюнапапірці4а.Отриманірезультатизаписуютьутаблицю.

177

№ про-бірки

Температура досліду, °С

Час t, с

Швидкість реакції, V = 100/t

1234

Залежність швидкості реакції від температури наближено виражають емпіричним правилом Вант­Гоффа: з підвищенням температури на кожні 10 градусів швидкість більшості хімічних реакцій зростає у два-чотири рази:

V Vt t

t t

2 1

2 1

10=−

æγ ,

де Vt1 і Vt2

— швидкості реакції за температур t1 і t

2;

g — температурний коефіцієнт швидкості реакції.Вплив природи реагуючих речовин на швидкість хімічних

реакцій можна продемонструвати на прикладах взаємодії кисню з нітроген(ІІ) оксидом і карбон(ІІ) оксидом: O

2 + 2NO = 2NO

2 O

2 + 2CO = 2CO

2

За кімнатної температури нітроген(ІІ) оксид з досить великою швидкістю взаємодіє з киснем повітря, перетворюючись на нітроген(ІV) оксид. Карбон(ІІ) оксид, навпаки, за тих самих умов з киснем не взаємодіє.

Демонстраційний дослідЗалежність швидкості хімічної реакції від природи реагуючих речовинДослідпроводятьнаприладі,зібраному,якпоказанонарис.34.Наливаютьводувсклянийкристалізаторі наповнюютьпробіркудоверхуводою.Закриваютьотвірпробіркипальцем,перевертають її вверхдномі занурюютьу кристалізатор.Підводоюобережно,щобневилиласяводай непотрапилоповітря,відкриваютьпробірку.Колбузакріплюютьуштативійналиваютьунеїна3/4об’ємухлориднукислотуконцентрацією1 моль/л.Два-три шматочки цинку промивають водою,витираютьфільтрувальнимпаперомізанурюютьуколбузкислотою.Закриваютьколбупробкоюз  відвідною трубкою, кінець якої занурюютьу кристалізатор з водою та підводять підотвір пробірки. За допомогою секундомірафіксують час заповнення пробірки воднем.Після закінчення досліду виливають хлориднукислотузколби,промиваютьшматочкицинкутависушуютьйогофільтрувальнимпапером. Рис. 34. Прилад

для збирання газу

178

Аналогічний дослід проводять зі шматочками олова. Знову наливаютьу колбуна3/4 об’ємухлориднукислотутієїсамоїконцентрації1моль/л.Повторюють першу частину досліду та визначають час заповненняпробіркигазом.Запишемо рівняння реакцій взаємодії цинку та олова з хлоридноюкислотою:

Zn+2HCl=ZnCl2+H

2 ↑

Sn+2HCl=SnCl2+H

2 ↑

Чимможнапояснитирізнушвидкістьреакційвиділенняводнювпершомутадругомудослідах?

Основні поняття теорії активації. Точніше визначити залежність швидкості хімічної реакції від температури стало можливим лише з появою теорії активації. Згідно із цією теорією хімічна взаємодія між частинками (атомами, йонами, молекулами) речовин, які контактують, відбувається, тільки тоді, коли ці частинки дося-гають певного енергетичного рівня, характерного для перебігу цієї реакції, тобто її енергетичного бар’єру. Якщо вважати такі частинки активними, то саме між ними відбуваються ефективні зіткнення (рис. 35).

a

A2

A2

B2

B2

áAB

A2

B2

AB

Рис. 35. Зіткнення частинок: а — неефективне (енергії недостатньо, щоб розірвати зв’язки А—А і В—В); б — ефективне (енергії достатньо,

щоб розірвати зв’язки А—А і В—В)

Усі частинки в системі, запас енергії яких не нижчий за енергетичний бар’єр реакції, перебувають в особливому стані, який називають перехідним, або станом активованого комплексу. Вважають, що коли система перебуває в стані активованого комплексу, то в ній вже немає вихідних речовин, але ще немає і продуктів реакції.

Розглянемо це на прикладі синтезу гідроген йодиду, який здійснюється через утворення такого активованого комплексу. Під час взаємодії активних молекул H

2 і I

2 спочатку утворюється

проміжна сполука H2…I

2 (активований комплекс). Саме у цьому

179

комплексі розриваються зв’язки H—H і I—I та утворюються нові зв’язки H—I:

H I 2

H + I 2Àêòèâîâàíèé

êîìïëåêñ

H—H

2

I—I

H

—

H

2

I I

H H

I I—

HI + HI

Якщо вважати середній рівень енергії частинок вихідних речовин у системі таким, що дорівнює Е

в, а середню енергію пере-

хідного стану — Еп. с

, то різниця Еп. с

– Ев = Е

а виражатиме енергію

активації цієї реакції. Енергія активації Е

а — це енергія, необхідна для збудження

атомів, йонів або молекул до енергії активованого комплексу. Зміну енергії системи реагентів H

2 + I

2 під час їхнього

перетворення на гідроген йодид HI у процесі екзотермічної реакції графічно подано на рис. 36.

Eäèñ

Eà

∆HH2 + I

2

H2…I

2 (+170 êÄæ)

2HI (–17 êÄæ)

2H + 2I (+570 êÄæ)

E,

êÄ

æ

Êîîðäèíàòè ðåàêö³¿

–100

100

200

300

400

500

600

0

Рис. 36. Енергетична діаграма ек зо термічної реакції (∆Е k 0) взаємодії молекул водню та йоду

Як видно з рисунка, енергія активації реакції Еа менша за

енергію дисоціації Едис

вихідних молекул на вільні атоми. От же, перебіг реакції через утворення активованого комплексу енер-гетично вигідніший, ніж перебіг реакції через повний розрив зв’яз-ків у вихідних молекулах з утворенням вільних атомів. Видно, що про дукти реакції мають менший запас енергії, ніж вихідні речовини, і тому реакція Н

2 + І

2 = 2НІ екзотермічна.

Більшість хімічних реакцій відбувається через стадію утво-рення проміжних активованих комплексів, енергія їхнього утво-рення є енергією активації. Якби енергія активації для всіх

180

реак цій дорівнювала нулю, то в природі відбувалося б безліч хіміч них реакцій. Так, вугілля і нафта в разі контакту з повітрям загорілися б, складова повітря — азот і вода утворили б розчин нітратної кислоти, а живі клітини зруйнувалися б унаслідок гідролізу.

Основні поняття. Правило Вант-Гоффа. Енергетичний бар’єр. Активований комплекс. Енергія активації.

Якоб Гендрік Вант-Гофф(1850–1911)

Видатний голландський учений, фізик і хі-мік. У 1901 р. одержав Нобелівську премію з хі мії. Це була перша Нобе лівська премія з хі мії. Вант-Гофф дійшов вис новку, що в ато мі Карбону всі його чо ти ри валентності на п рав ле ні до вершин тетраедра. Якщо в мо-ле ку лі атом Карбону спо лучений із чоти-рма різними атомами або групами ато мів, то тетраедр стає асиметричним. Так хі мія отримала третій вимір. У «Нарисах з хі міч-ної динаміки» вчений сформулював осно вні постулати хімічної кі нетики, за якими роз-ве де ні розчини під по ряд ковуються газовим за ко нам.

Запитання та завдання °1. На яких прикладах можна показати вплив природи речовин,

що реагують, на швидкість хімічної реакції? °2. У чому полягає суть емпіричного правила Вант-Гоффа? Як

його можна виразити математично? °3. Що таке енергетичний бар’єр частинок реа гуючих між собою хіміч-

них речовин? °4. Який стан реа гуючих між собою частинок нази ва ють активованим

комплексом? 5. Що таке енергія активації будь-якої хімічної реакції? 6. У якому ряду метали розташовані в порядку зниження швидкості

їхніх реакцій із хлоридною кислотою? а) Na, Mg, Zn, Fe, Cu; в) Na, Mg, Fe, Cu, Zn; б) Mg, Na, Fe, Zn, Cu; г) Mg, Na, Zn, Cu, Fe. *7. За даними демонстраційного досліду побудуйте на міліметровому па-

пері графік залежності швидкості реакції (вісь ординат) від темпе-ратури (вісь абсцис). Чи проходить графік через початок координат? Яким буде температурний коефіцієнт швидкості цієї реакції, якщо температуру підвищити від 40 до 80 °С?

181

§ 41. Обчислення зміни швидкості реакції зі зміною температури за правилом Вант-Гоффа

Приклади розв’язування задачПриклад 1. Як зміниться швидкість реакції з під-

вищенням температури реакції від 30 до 60 °С, якщо температурний коефіцієнт реакції дорівнює 3?

Дано:t1 = 30 °С

t2 = 60 °С

g = 3

Розв’язанняВідповідно до правила Вант-Гоффа:V

V

t

t

t t2

1

2 1

10=−

γ ; V

V

t

t

2

1

3 3 2760 30

10 3= = =−

разів.

Відповідь: збільшиться у 27 разів.V

V

t

t

2

1

?

Приклад 2. Визначте температурний коефіцієнт реакції, якщо з підвищенням температури на 40 QС її швидкість зросла у 256 ра-зів.

Дано:∆ = °t 40 C

V

V

t

t

2

1

256= разів

Розв’язанняV

V

t

t

t t2

1

2 1

10=−

γ ; V

V

t

t

2

1

40

10= γ ; 256 4= γ ; γ = 2564 ; g = 4.

Відповідь: температурний коефіцієнт реакції дорівнює 4.

γ ?

Приклад 3. На скільки градусів треба підвищити температуру реакції, щоб її швидкість зросла в 32 рази, якщо температурний коефіцієнт реакції дорівнює 2?

Дано:V

V2

1

32= рази

g = 2

Розв’язанняV

V

t

t

t t2

1

2 1

10=−

γ ; V

V

t

t

t2

1

10=∆

γ ; 32 210=∆t

;

2 25 10=∆t

; 510

=∆t

; ∆ = °t 50 .

Відповідь: треба підвищити на 50 QС.∆ t ?

Приклад 4. Як зміниться швидкість реакції з підвищенням температури реакції від 115 до 175 °С, якщо температурний ко-ефі цієнт реакції дорівнює 3?

182

Дано:

t1 = 115 QС

t2 = 175 QС

g = 3

Розв’язанняV

V

t

t

t t2

1

2 1

10=−

γ ;

V

V

t

t

t2

1

10=∆

γ ; V

V

t

t

2

1

3 3 729175 115

10 6= = =−

разів.

Відповідь: швидкість реакції збільшиться

в 729 разів.

V

V

t

t

2

1

?

Запитання та завдання 1. У скільки разів збільшиться швидкість реакції в результаті

підвищення температури від 60 до 90 °С, якщо темпе-ратурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2?

2. Визначте температурний коефіцієнт швидкості реакції, якщо в результаті підвищення температури від 30 до 60 °С швидкість реакції зросла в 64 рази.

3. Температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3. У скільки разів збільшиться швидкість цієї реакції внаслідок підвищення температури на 40 °С?

4. На скільки градусів треба підвищити температуру, щоб швидкість реакції зросла в 64 рази, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 4?

5. Унаслідок підвищення температури на 50 °С швидкість реакції зросла у 243 рази. Визначте температурний коефіцієнт реакції.

6. У скільки разів зменшиться швидкість реакції газової суміші, як що температуру реакції понизити від 90 до 50 °С? Температурний кое-фіцієнт реакції дорівнює 2.

7. За температури 120 °С швидкість реакції дорівнює 2,43 моль/л ∙ с. Яка швидкість цієї реакції за температури 80 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3?

*8. З підвищенням температури на 40 °С швидкість реакції зросла у 81 раз. Обчисліть температурний коефіцієнт реакції.

9. Обчисліть, як зміниться швидкість реакції з підвищенням тем пе ра-ту ри від 25 до 55 °С, якщо температурний коефіцієнт цієї реакції дорівнює 2.

10. Обчисліть, як зміниться швидкість реакції зі зниженням температури від 100 до 60 °С, якщо температурний коефіцієнт цієї реакції дорів-нює 3.

*11. Визначте температурний коефіцієнт швидкості реакції в разі зни-ження температури, якщо швидкість реакції з підвищенням тем пе-ра тури на 60 °C зросла в 64 рази.

183

§ 42. Залежність швидкості реакції від наявності каталізатора і від площі поверхні зіткнення реагуючих речовин

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакекаталізаториідлячогоїхвикористовують;•чомукаталізаторможеприскорюватиреакцію;•яквпливаєвеличинаплощіповерхніреагуючихречовиннашвидкістьреакції.

Одним із найпоширеніших методів прискорення хімічних ре-ак цій (крім підвищення температури, тиску) є використання каталізаторів — речовин, які змінюють швидкість хімічної ре-ак ції.

Демонстраційний дослідЗалежність швидкості хімічної реакції від наявності каталізатора та площі його поверхні

• Розкладання гідроген пероксиду без каталізатора й за наявності манган(ІV)оксидуУ пробірку доливають 2 мл гідроген пероксиду і вносять тліючу скіпку.Змінивяскравостітлінняскіпкипрактичнонеспостерігається.Виймають тліючу скіпку з пробірки і вносять до неї один мікрошпательманган(ІV) оксиду. Спостерігається енергійне розкладання гідрогенпероксиду з виділенням газу. Під час повторного внесення в пробіркутліючоїскіпкивонаяскраворозгоряється—газпідтримуєгоріння.Отже,виділяєтьсякисень:

2H O = 2H O + O2 2

MnO

2 2

2

↑

• ВзаємодіяалюмінієвогопорошкузйодомзанаявностіводиУ фарфоровій чашці змішують два мікрошпателі порошку або пудриалюмініютаодинмікрошпателькристалічногойоду.Реакціяпрактичноневідбувається.На одержану суміш діють краплинкою води. Спостерігається бурхливареакціяутворенняалюмініййодидузізначнимвиділеннямтеплоти:

2Al+3I = 2AlI +2

H O

3

2

Q

Зарахуноктепловиділеннявідбуваєтьсявозгонкайоду—процесвідчитьпарафіолетовогокольору,щопіднімаєтьсянадчашкою.Отже, у першому досліді роль каталізатора відіграє манган(ІV) оксид,а в другому—вода.

Механізм дії багатьох видів каталізаторів до кінця ще не дос-лід жений. У нашому досліді можна припустити, що I

2, хоча

й незначною мірою порівняно з Cl2 і Br

2, взаємодіє з водою

I2 + H

2O = HI + HIO

184

з утворенням йодидної HI та гіпойодитної HIO кислот. Потім HI переводить алюміній у сіль:

2Al + 6HI = 2AlI3 + 3H

2

Водень у момент виділення дуже активний і може відновлювати гіпойодитну кислоту:

H2 + 2HIO = I

2 + 2H

2O

Отже, кількість води як каталізатора поновлюється. Від чого ж залежить активність каталізатора? Як її можна

підвищити? Активність деяких каталізаторів обумовлена тим, що проміжна реакційно спроможна сполука утворюється на поверхні каталізатора. Цілком природно, що активність таких каталізаторів залежить від площі та властивостей його поверхні. Що більша поверхня, то ефективніша результативність зіткнень частинок реагуючих між собою речовин.

Демонстраційний дослідЗалежність швидкості хімічної реакції від площі поверхні зіткнення реагуючих речовин

Урівноважують на терезах шматочок мармуру (масою приблизно 0,2 г)і  порцію мармуру у вигляді порошку. Готують дві пробірки з однаковимоб’ємом хлоридної кислоти (близько 1/2 об’єму пробірки). Одночаснострушують з папірців шматочок мармуру в одну пробірку, порошок —у другу.Уякійізпробірокреакціявідбуваєтьсяшвидше?Чому?

Основні поняття. Каталізатор. Поверхня зіткнення.

Запитання та завдання 1. Назвіть методи прискорення хімічних реакцій. Який

найпоширеніший? 2. Які речовини називають каталізаторами? 3. У чому полягає вплив каталізатора на швидкість хімічної реакції? 4. Чим обумовлена активність каталізаторів? 5. Як зміниться об’єм ацетилену С

2Н

2, що виділився в реакції

СаС2 + 2Н

2О = Са(ОН)

2 ↓ + С

2Н

2↑,

якщо шматочок кальцій карбіду СаС2 масою 10 г розбити на 100 час-

тин? а) Зросте приблизно в 10 разів; в) не зміниться; б) зросте приблизно в 100 разів; г) збільшиться приблизно

в 1000 разів. *6. Швидкість реальних процесів залежить від сукупної дії кількох

чинників. Зробіть припущення, де швидше іржавітиме залізо: а) у помешканні; г) на світлому боці Місяця; б) у пустелі; ґ) на вершині Евереста; в) у джунглях; д) в Антарктиді.

185

§ 43. Поняття про ланцюгові реакції

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакеланцюговіреакції;•якіцентриланцюговоїреакціїєактивними;•щоназиваютьрозгалуженимланцюговимпроцесом.

Існують реакції, перебіг яких ініціюють кванти світла (фотони). Так, під час взаємодії молекул хлору з молекулами водню вони «розбивають» молекулу Cl

2 на атоми 2Clæ.

Якщо приготувати суміш газоподібних водню та хлору, на-прик лад у товстостінній прозорій посудині, то за звичайних умов ніяких змін із вказаними речовинами не спостерігається — хімічна реакція не відбувається. Якщо ж на ємність іззовні подіяти, наприклад, фотоспалахом, то в ній пролунає сильний вибух — відбудеться миттєва реакція між воднем і хлором. Це пояснюють тим, що за вказаних умов речовини взаємодіють за так званим ланцюговим механізмом. Під дією яскравого світлового опромінювання певна частина молекул хлору роз па-да єть ся на високоактивні атоми, тобто такі, що мають неспарені електрони:

Cl Cl Cl Cl (: )світло hν → +æ æ (1)

Останні, своєю чергою, стикаються з молекулами водню і сприяють перетворенню їх на атоми:

Cl H H HCl Hæ æ+ → +: (2)

Утворені таким чином активні атоми Гідрогену вступають у вза-ємодію з іншими молекулами хлору:

H Cl Cl HCl Clæ æ+ → +: (3)

Атоми Хлору знову взаємодіють з молекулами водню і т. д., доки одна з речовин не прореагує повністю.

Первинну реакцію розпаду, тобто дисоціацію молекули хлору на високоактивні атоми, під дією світла називають реакцією зародження ланцюга, а вільні атоми хлору — Clæ, що при цьому утворилися, активними центрами.

Утворення атомів Гідрогену — реакція (2), а потім послідовно нових атомів Хлору — реакція (3), а далі нових атомів Гідрогену відповідно до перетворень або циклів:

Cl H Cl H Cl Hæ æ æ æ æ æ→ → → → →→ ...називають розвитком ланцюга.

186

Реакції, які призводять до загибелі активних частинок (центрів), а отже, і до припинення ланцюгової реакції, називають реакціями обриву ланцюга. Кількість циклів від моменту зародження лан-цюга до його обриву називають довжиною ланцюга.

Обрив ланцюга можливий у результаті зіткнення двох активних центрів

H Cl HCl,æ æ+ =

або в разі захоплення активних центрів стінками посудини чи молекулами домішок.

Якщо в результаті одного елементарного акту виникає дві або біль ше хімічно активних частинок, то процес називають роз­галуженим ланцюговим процесом. При цьому кількість актив-них центрів, а отже, і швидкість процесу будуть лавиноподібно зростати до того моменту, коли буде витрачено вихідну речовину. Тоді швидкість процесу почне зменшуватися.

Якщо кожен елементарний акт спричиняє появу двох або більше активних центрів розгалуження ланцюга, то спостерігається реак-ція із сильно розгалуженими ланцюгами (рис. 37, а).

Якщо ж у результаті реакції утворюється атом з однією вільною валентністю (як це видно на прикладі розглянутої реакції хлору з воднем, де активний центр зумовлює розвиток лише одного ланцюга), то ланцюги будуть нерозгалуженими (рис. 37, б).

Прикладами розгалужених реакцій є взаємодія водню і кисню (вибух), розкладання озону.

a á

Рис. 37. Схема ланцюгової реакції: а — сильно розгалужені ланцюги; б — нерозгалужені ланцюги

Ланцюговими реакціями є більшість процесів окиснення, го рін-ня, полімеризації, галогенування та ін.

Тепер ми можемо доповнити класифікацію хімічних реак цій, на ведену в § 34: реакції можуть бути ланцюговими та нелан-цюговими.

187

Основні поняття. Ланцюговий механізм. Активний центр. Довжина ланцюга. Реакція обриву ланцюга. Розгалужений ланцюговий процес.

Запитання та завдання 1. Як називають реакції, що їх ініціюють кванти світла? 2. За допомогою якого рівняння можна описати розпад моле-

кул хлору на високоактивні атоми? 3. Які атоми називають високоактивними? Покажіть утворення таких

атомів Хлору та Гідрогену на прикладі реакції хлору з воднем. 4. Який вид перетворень називають розвитком ланцюга? 5. Який тип реакції виникнення ланцюга перетворень не призводить до

його розгалуження? Як його умовно зображують? 6. Які хімічні реакції переважно є ланцюговими? 7. Як називають процес, коли в результаті одного елементарного акту

водночас виникає дві або більше число активних частинок? Як його умовно зображують?

§ 44. Загальні відомості про гомогенний і гетерогенний каталіз

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакекаталіз;•щотакепозитивніінегативнікаталізатори;•чимгетерогеннийкаталізвідрізняєтьсявідгомогенного.

Що таке каталіз. Багато реакцій відбуваються дуже повільно, якщо просто змішати реагенти, але їх можна значно прискорити введенням деяких інших речовин — каталізаторів. Це речовини, що змінюють швидкість хімічної реакції та не витрачаються під час її перебігу.

Каталіз — це явище збудження хімічної реакції або зміни її швидкості додаванням каталізаторів.

Позитивні каталізатори прискорюють реакцію, негативні ката-лізатори, або інгібітори, уповільнюють реакцію.

Інгібітори широко використовують під час хімічного очищення парових котлів від накипу, для зняття окалини з відпрацьованих виробів, а також під час зберігання та транспортування хлоридної кислоти в сталевій тарі. Вони захищають метал від роз’їдання (корозії) кислотою. Інгібіторами корозії служать як органічні речовини, так і неорганічні (силікати, нітрити, дихромати лужних елементів).

188

Каталізатори поділяють на гомогенні і гетерогенні. Гомогенний каталіз. Гомогенні каталізатори перебувають

у то му самому агре гат ному стані, що й реагенти та продукти реакції, тобто в одній фазі (газоподібній або рідкій). У такому разі немає поверхні поділу між реагентами й каталізатором.

Каталізатори не входять до запису рівняння хімічної реакції. Яким же чином вони впливають на швидкість хімічної реакції? Механізм дії каталізаторів різний.

Гомогенний каталіз найчастіше здійснюється внаслідок утво-рення нестійких проміжних продуктів. Багаторазово беручи участь у проміжній хімічній взаємодії між реагентами реакції, каталізатор після кожного циклу відновлює свій хімічний склад.

Каталізатор K має легко вступати у взаємодію з однією з реагуючих речовин, наприклад з А:

A K AK+ →Як наслідок проміжна сполука АK має легко взаємодіяти

з другою речовиною В з утворенням кінцевої сполуки АВ і віль-ного каталізатора K:

AK B AB K+ → +Таким чином, каталізатор K набуває свого первісного складу

з одночасним утворенням сполуки АВ. Прикладом такого типу реакцій є реакція окиснення сульфур(IV)

оксиду до сульфур(VІ) оксиду за наявності нітроген(ІІ) оксиду як каталізатора:

2 22 2 3SO O SONO

+ =

У разі відсутності останнього ця реакція не відбувається.Механізм цієї реакції описують через утворення нестійкого

проміжного продукту NO2:

2NO + O2 = 2NO

2

SO2 + NO

2 = SO

3 + NO

Як бачимо, по закінченні реакції склад каталізатора NO не змінюється, його молекули знову беруть участь у каталізі.

Гетерогенний каталіз. Гетерогенні каталізатори (як правило, тверді речовини) перебувають в іншій фазі, ніж реагенти та продукти реакції (газоподібні або рідкі):

2SO (г) O (г) SO2 2

V O

3

2 5

+ =( )

( )тв

г2

Механізм гетерогенного каталізу зумовлений властивістю речовини (твердої або рідкої) поглинати поверхневим шаром

189

інші речовини з розчину або газової суміші. При цьому речовина, яка поглинається поверх нею каталізатора, не проникає в його глибину.

Як правило, прагнуть одержати твердий каталізатор з мак-симально великою поверхнею. Реагуючі речовини швидко по-глинаються саме такою поверхнею. У результаті збільшується кількість активних молекул, тобто таких, у яких послаблюється міцність хімічних зв’язків та відбувається їх подаль ший перерозподіл. Як наслідок утворюються продукти каталітичної реакції, що надалі ви даляються з поверхні каталітора.

Основні поняття. Гомогенний каталіз. Гетерогенний каталіз.

Запитання та завдання °1. Що називають каталізом? °2. Які каталізатори називають позитивними, а які — негатив-

ними? 3. Чим гетерогенний каталіз відрізняється від гомогенного? 4. Як площа поверхні гетерогенного каталізатора може впливати на

швид кість каталітичної реакції? 5. Роль каталізатора полягає у збільшенні чи зменшенні енергії молекул

реагуючих речовин? 6. Чи взаємодіє каталізатор з вихідними речовинами і в чому полягає

ця взаємодія? 7. Чому каталізатор не входить до рівняння хімічної реакції, хоча його

склад відомий? 8. Наведіть приклади реакцій, які відбуваються з використанням

каталізаторів: а) гомогенного; б) гетерогенного. *9. Каталізатори змінюють швидкість хімічних реакцій, через те що

змінюється: а) температура; в) кількість зіткнень молекул; б) концентрація речовин; г) кількість активних молекул.

§ 45. Хімічна рівновага. Оборотні та необоротні реакції

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакехімічнарівновага;•яквиражаютьзакондіючихмасвоборотнихсистемах;•відчогозалежитьконстантахімічноїрівноваги.

Необоротні хімічні реакції за даних умов (температури, кон цен-трації реагуючих речовин, тиску) відбуваються практично до кін-ця, тобто до повного витрачення будь-якої з реагуючих речовин:

Zn ( ) HCl ( ) ZnCl ( ) H ( )тв р р г+ = + ↑2 2 2

190

Ця реакція відбувається лише в прямому напрямку, оскільки внаслідок пропускання водню крізь розчин цинк хлориду мета-лічний цинк і хлоридна кислота не утворюються.

Оборотні хімічні реакції за даних умов одночасно відбуваються як у прямому, так і у зворотному напрямку. Прикладом оборотної реакції є взаємодія водню з газоподібним йодом за кімнатної тем-ператури в закритій посудині:

H ( ) I ( ) HI ( )2 2 2г г г+ �Але якщо закриту посудину заповнити газоподібним гідроген

йодидом, то незабаром у ньому з’явиться фіолетова пара I2. Це

є свідченням оборотної реакції:2HI (г) → I

2 (г) + H

2 (г)

Записуючи рівняння оборотних реакцій, знак рівності замінюють стрілками, що направлені в протилежних напрямках:

H ( ) I ( ) HI( ),2 2 2г г г+ �і, як правило, указують агрегатний стан речовини.

У разі оборотних реакцій швидкість прямої реакції спочатку перевищує швидкість оборотної реакції:

V k C Cпр пр= æ æ(H ) (I )2 2

Однак із часом швидкість прямої реакції зменшується, а зворот-ної — збільшується:

V k Cзв зв= 2 (HI)

Стан системи реагуючих речовин, за якого швидкості прямої та зворотної реакції стають однаковими, називають станом хімічної рівноваги:

k C C k Cпр зв(H ) (I ) (HI)2 22æ =

Демонстраційний дослідВизначенняоборотностіхімічнихреакцій

Учотирипробіркивносятьпо5–10крапельрозведенихрозчинівферум(ІІІ)хлориду FeCl

3 і калій тіоціанату KNCS або амоній тіоціанату NH

4NCS.

Перемішуютьрозчинискляноюпаличкою.Усіпробіркиставлятьуштатив.Однузпробірокзрозчиномзберігаютьякконтрольну,дляпорівняння.Урозчинівідбуваєтьсяоборотнареакція:

FeCl +3KNCS Fe(NCS) +3KCl3 3�ферумтіоціанат

(III)

Унаслідок утворення ферум(ІІІ) тіоціанату розчин набуває червоногозабарвлення.Воднуізпробірокмікрошпателемдодаютьмаленькийкришталикферум(ІІІ)хлориду, у другу — кришталик калій тіоціанату, а в третю — декількакришталиків (2–3 мікрошпателі) калій хлориду. Порівняно з першою

191

пробіркоюінтенсивністьзабарвленнярозчинувдругійтатретійпробіркахзростає,авчетвертійслабшає.Узв’язку ізцимзрозуміло,уякомунапрямкузміщуєтьсярівновагадос-ліджуваноїреакціїіякзмінюєтьсяконцентраціяFe(NCS)

3у2,3і 4-й про-

бірках порівняно з його концентрацією в першій (контрольній) пробірців разідодавання:а)ферум(ІІІ)хлориду;б)калійтіоціанату;в)калійхлориду.

Хімічна рівновага — це рівновага динамічна, оскільки в цьому стані реакція не припиняється, але співвідношення концентрацій реагуючих речовин залишається незмінним, тобто постійним. Тоді на основі рівності швидкостей прямої та зворотної реакцій можна записати:

k

k

C

C CKc

пр

зв

= =2

2 2

(HI)

(H ) (I )æ,

де Kс — константа хімічної рівноваги, виражена через рівноважні

концентрації реагуючих речовин (учасників реакції).Рівноважні концентрації часто позначають у вигляді формул

речовин, поміщених у квадратні дужки:

Kc =[HI]

[H ] [I ]

2

2 2æ

Одержане рівняння являє собою математичний вираз закону діючих мас відповідно до оборотних систем. Воно означає, що за умови встановлення рівноваги відношення добутку рівноважних концентрацій продуктів реакції до добутку рівноважних кон-центрацій вихідних речовин є величиною постійною. Ця величина залежить від температури та природи реагуючих речовин і не залежить від їхніх концентрацій.

А як впливають на хімічну рівновагу каталізатори — речо­вини, що змінюють швидкість хімічної реакції? Каталізатори не зміщують хімічну рівновагу, тому що вони однаково впливають на швидкість як прямої, так і зворотної реакції. За наявності каталізатора хімічна рівновага встановлюється швидше.

Основні поняття. Хімічна рівновага. Константа хімічної рів но-ваги.

Запитання та завдання 1. Які хімічні реакції називають оборотними, а які — необо-

рот ни ми? Наведіть приклади. 2. Який стан системи реагуючих речовин називають хіміч ною

рівновагою? 3. Що таке константа хімічної рівноваги? Як її позначають? Від яких

факторів вона залежить?

192

4. Як каталізатор впливає на стан хімічної рівноваги? 5. Вихідна концентрація амоніаку становила 2 моль/л, а кисню —

2,5 моль/л. Через 30 хв за певної температури реакції:

4NH3 (г) + 5O

2 (г) = 4NO (г) + 6H

2O (г)

концентрація амоніаку зменшилася до 1,28 моль/л. Обчисліть швид-кість і константу швидкості цієї реакції за законом діючих мас.

6. Вихідна концентрація нітроген(ІІ) оксиду становила 9,6 моль/л, а водню — 9,8 моль/л. Через 36 хв за певної температури реакції:

2NO (г) + 2H2 (г) = N

2 (г) + 2H

2O (г)

концентрація нітроген(ІІ) оксиду зменшилася до 4,8 моль/л. Обчис-літь швидкість і константу швидкості цієї реакції за законом діючих мас.

§ 46. Вплив різних чинників на стан хімічної рівноваги. Принцип Ле Шательє

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щостанетьсязрівноважноюсистемою,якщозрушитиїїрівновагу;•як,знаючивпливрізнихчинниківнаперебігоборотноїреакції,збільшитиїїшвидкістьупотрібномунапрямку.

Зміна умов (температури, концентрації, тиску), за яких система перебуває в стані хімічної рівноваги (V

пр = V

зв), спричиняє пору-

шення стану хімічної рівноваги.Розглянемо вплив зазначених чинників на процес зміщення

хімічної рівноваги під час реакції утворення амоніаку внаслідок взаємодії водню з азотом:

3H ( ) N ( ) NH ( ),2 2 32г г г+ � ∆ = −H2980 92 кДж

Вплив концентрації. Зі збільшенням у рівноважній системі концентрації вихідних речовин, у цьому випадку водню й азоту, збільшується швидкість прямої реакції, тому рівновага зміщується вправо, тобто в напрямку утворення амоніаку. У тому самому на-прямку зміщується рівновага і в разі зменшення концентрації амоніаку.

Зі зменшенням у рівноважній системі концентрації водню або азоту або зі збільшенням концентрації амоніаку прискорюється зворотна реакція, тобто рівновага зміщується вліво.

Вплив температури. Термохімічне рівняння реакції утворення амоніаку свідчить, що в прямому напрямку вона відбувається з ви ді ленням тепла, тобто є екзотермічною. Зворотна реакція в такому разі буде ендотермічною.

193

Для збільшення виходу амоніаку, тобто зміщення рівноваги вправо, а отже, у напрямку утворення амоніаку, систему реагу-, у напрямку утворення амоніаку, систему реагу-у напрямку утворення амоніаку, систему реагу-, систему реагу- систему реагу-реагу-ючих речовин необхідно охолоджувати. І навпаки, для зміщення рівноваги вліво, у бік термічного розкладання амоніаку, темпе-ратуру в системі реагуючих речовин треба підвищувати.

Вплив тиску. Тиск впливає на зміщення хімічної рівноваги в системі реагуючих речовин якщо хоча б один із вихідних реагентів або продуктів реакції є газоподібною речовиною. Коли всі речо вини, як вихідні, так і кінцеві, є газами, зміна тиску впливає на рівновагу системи, оскільки є різниця між об’ємами речовин, що вступають у реакцію та утворюються внаслідок реакції.

У нашому випадку в реакцію вступають чотири умовні об’єми речовин — один об’єм азоту та три об’єми водню, а утворюються лише два умовні об’єми амоніаку, згідно з коефіцієнтами в рів-нянні реакції. Отже, пряма реакція відбувається зі зменшенням об’єму, а зворотна — зі збільшенням, тобто за стандартних умов:

N 3H 2NH222 4

23 22 4

89 6

32 22 4

44 8

, ,

,

,

,

л л

л

л

л

+æ æ� �� ��

����

Таким чином, підвищення тиску в замкненій реакційній системі спричиняє прискорення прямої реакції: рівновага зміщується зліва направо, тобто в бік утворення амоніаку, і навпаки.

Аналізуючи закономірність впливу зміни зовнішніх умов на перебіг оборотних хімічних реакцій, французький учений А. Л. Ле Шательє у 1884 р. сформулював принцип зміщення рів­но ва ги хімічних процесів: якщо на систему реагуючих речовин, що перебуває в стані хімічної рівноваги, впливати ззовні, то рівновага зміщується в тому напрямку, що послаблює ефект зовнішнього впливу.

Основні поняття. Принцип Ле Шательє.

Анрі Луї Ле Шательє(1850–1936)

Французький фізико-хімік. У 1884 р. Ле Шательє сфор мулював загальний принцип зміщення хі-мічної рівноваги, який тепер називають його ім’ям. У 1907 р. став членом Паризької академії наук. Най видатніші його роботи присвячені до-слідженню впливу тиску й температури на змі-щення хімічної рівноваги.

194

Запитання та завдання 1. Як впливає на стан хімічної рівноваги зміна: а) концентрацій

вихідних речовин і продуктів реакції; б) температури про-про-цесу та тиску в системі реагуючих речовин?

2. У чому полягає суть принципу Ле Шательє? Як його формулюють? 3. Гомогенну реакцію за участі газоподібних речовин можна описати

рівнянням 2 2А B+ ∆� C+ .H У який бік зміститься рівновага, якщо тиск підвищити; температуру підвищити?

а) Вправо, вліво; в) вліво, вправо; б) вправо, вправо; г) вліво, вліво. 4. У який бік зміститься рівновага реакції

2 2A ( ) ( ) C ( ) ,тв B р г D р+ + + ∆� ( ) H якщо тиск підвищити; температуру знизити? а) Вліво, вліво; в) вправо, вліво; б) вліво, вправо; г) вправо, вправо. 5. Як каталізатори впливають на зміщення рівноваги? а) Впливають, проте слабко; б) збільшують вихід продукту реакції; в) не впливають; г) позитивні каталізатори зміщують рівновагу вправо, а негативні

(інгібітори) — вліво. 6. Щоб швидкість хімічної реакції 2H

2S (г) + SO

2 (г) = 3S (тв) + 2H

2O (р)

зросла в 4 рази, концентрацію гідроген сульфіду треба збільшити: а) у 4 рази; в) 2 рази; б) 6 разів; г) 3 рази? *7. Швидкість хімічної реакції H

2 (г) + Cl

2 (г) = 2HCl (г) зі збільшенням

концентрації вихідних речовин у 5 разів зросте: а) у 16 разів; в) 25 разів; б) 9 разів; г) 36 разів? *8. Швидкість хімічної реакції 4Fe (тв) + 3O

2 (г) = 2Fe

2O

3 (тв) зі збіль-тв) зі збіль-) зі збіль-

шенням тиску в системі в 6 разів зросте: а) у 118 разів; в) 240 разів; б) 169 разів; г) 216 разів?

Тестові завдання 1. Установіть відповідність між взаємодією речовин або процесом, які

позначено цифрою, і типом реакції, що позначений буквою:

1 у розчин купрум(ІІ) хлориду за-(ІІ) хлориду за-нурили залізний цвях

А окисно-відновна реакція

2 натрій оксид реагує з карбон(ІV) оксидом

Б реакція обміну

3 магній оксид реагує із сульфатною кислотою

В реакція розкладу

4 розкладання нітратної кислоти Г реакція сполученняҐ реакція заміщення

195

2. Термохімічне рівняння реакції розкладу кальцій карбонату:CaCO

3 (тв) = CaO (тв) + CO

2 (г) – 157,3 кДж.

Обчисліть кількість теплоти, необхідної для одержання 69,21 л (н. у.) карбон(IV) оксиду.А 475 кДжБ 486 кДжВ 469 кДжГ 498 кДж

3. Термохімічне рівняння реакції згоряння водню в кисні:

2H2 (г) + O

2 (г) = 2H

2O (р) + 572 кДж.

Обчисліть кількість теплоти, що виділиться в результаті згоряння водню об’ємом 16,88 л (н. у.).А 215,1 кДжБ 209,7 кДжВ 229,4 кДжГ 238,5 кДж

4. Термохімічне рівняння реакції утворення ферум(ІІ) сульфіду:

Fe (тв) + S (тв) = FeS (тв) + 96 кДж.

Обчисліть кількість теплоти, що виділиться, якщо прореагує 8,4 г заліза.

А 12,8 кДж

Б 14,4 кДж

В 13,5 кДж

Г 15,1 кДж

5. Термохімічне рівняння реакції:

CuO (тв) + 2HCl (р) = CuCl2 (р) + H

2O (р) + 63,8 кДж.

Обчисліть кількість теплоти, що виділиться під час розчинення 120 г купрум(ІІ) оксиду в хлоридній кислоті.

А 71,5 кДж

Б 87,8 кДж

В 79,4 кДж

Г 95,7 кДж

6. Обчисліть тепловий ефект реакції (значення якого наведіть у її термохімічному рівнянні) утворення натрій гідроксиду внаслідок взаємодії натрій оксиду масою 15,5 г з водою, яке супроводжується виділенням 213 кДж теплоти.

А ∆ = −Hр�ції кДж914 8,

Б ∆ = −Hр�ції кДж769 4,

В ∆ = −Hр�ції кДж853 6,

Г ∆ = −Hр�ції кДж619 7,

196

7. Обчисліть тепловий ефект реакції (значення якого наведіть у її термохімічному рівнянні) утворення гідроген хлориду масою 27 г унаслідок взаємодії хлору з воднем, яке супроводжується виділенням 34,18 кДж теплоти.

А ∆ = −Hр�ції кДж92 4,

Б ∆ = −Hр�ції кДж172 4,

В ∆ = −Hр�ції кДж153 7,

Г ∆ = −Hр�ції кДж168 9,

8. Обчисліть тепловий ефект реакції (значення якого наведіть у її термохімічному рівнянні) термічного розкладання купрум(ІІ) карбо-(ІІ) карбо-нату на купрум(ІI) оксид і карбон(IV) оксид об’ємом 5,6 дм3 (н. у.), якщо при цьому було витрачено 11,1 кДж теплоти.

А ∆ =Hр�ції кДж44 4,

Б ∆ =Hр�ції кДж33 3,

В ∆ =Hр�ції кДж55 5,

Г ∆ =Hр�ції кДж22 2,

9. Обчисліть тепловий ефект реакції (значення якого наведіть у її термохімічному рівнянні) утворення цинк сульфіду масою 29,1 г унаслідок взаємодії цинку із сіркою, якщо при цьому виділилося 62,7 кДж теплоти.

А ∆ = −Hр�ції кДж238

Б ∆ = −Hр�ції кДж219

В ∆ = −Hр�ції кДж201

Г ∆ = −Hр�ції кДж188

10. Швидкість хімічної реакції обчислюють за рівнянням:А V = ∆t/∆CБ V = C

2 – C

1

В V = C – tГ V = ∆C/∆t

11. Швидкість реакції збільшується в результаті нагрівання та збільшення концентрації реагуючих речовин. Ці правила виконуються:А найчастішеБ у разі збільшення тискуВ завждиГ за нормальних умов

12. Швидкість гетерогенної хімічної реакції зі збільшенням площі поверхні реагентів:А не змінитьсяБ зростеВ незначно змінитьсяГ знизиться

197

13. У разі одночасного підвищення температури на 10 QС та зменшення концентрації однієї з речовин у 3 рази швидкість гомогенної реакції, скоріш за все:

А спочатку зросте, потім зменшиться

Б зменшиться

В зросте

Г не зміниться

14. Швидкість хімічної реакції 2NO (г) + O2 (г) = 2NO

2 (г) у результаті

збільшення концентрації вихідних речовин у 4 рази зросла:

А у 36 разів

Б у 8 разів

В у 64 рази

Г у 16 разів

15. Установіть відповідність між формулою, позначеною цифрою, і на-звою величини чи закону, позначеною буквою:

1 VC C

t t

C

tсер = ± = ±

−

−

∆

∆2 1

2 1

А закон Гесса

2 V k C Ca b= æ æ( ) ( )A B Б константа хімічної рівноваги

3 V Vt t

t t

2 1

2 1

10=−

æγ В закон діючих мас

4 k

kKc

пр

зв

= Г правило Вант-Гоффа

Ґ швидкість хімічної реакції

16. Швидкість хімічної реакції 2SO2 (г) + O

2 (г) = 2SO

3 (г) зі збільшенням

концентрації кисню в 3 рази зросте:

А у 27 разів

Б у 9 разів

В у 18 разів

Г у 3 рази

17. Швидкість хімічної реакції 4Fe (тв) + 3O2 (г) = 2Fe

2O

3 (тв) зі збіль-

шен ням тиску в системі в 6 разів зросте:

А у 118 разів

Б у 240 разів

В у 169 разів

Г у 216 разів

198

18. Вихідна концентрація карбон(ІІ) оксиду становила 4,8 моль/л, а кисню — 2,8 моль/л. Через 16 хв за певних температурних умов проведення реакції 2CO (г) + O

2 (г) = 2CO

2 (г) концентрація кар бон(ІІ)

оксиду зменшилася до 3,6 моль/л. Обчисліть швидкість цієї реакції за законом діючих мас:

А 5 16 10 4, æ æ− /моль л с

Б 7 05 10 4, æ æ− /моль л с

В 6 25 10 4, æ æ− /моль л с

Г 7 69 10 4, æ æ− /моль л с

19. Вихідна концентрація водню становить 3,6 моль/л, а карбон(ІІ) оксиду — 1,4 моль/л. Через 24 хв за певних температурних умов проведення реакції 3H

2 (г) + CO (г) = CH

4 (г) + H

2O (г) концентрація

водню зменшилася до 1,8 моль/л. Обчисліть швидкість цієї реакції за законом діючих мас:А 4 24 10 4, æ æ− /моль л сБ 5 24 10 4, æ æ− /моль л сВ 4 86 10 4, æ æ− /моль л сГ 5 91 10 4, æ æ− /моль л с

20. З підвищенням температури від 20 до 70 °С швидкість хімічної реакції, температурний коефіцієнт якої дорівнює 3, зросте:А у 221 разБ у 267 разівВ у 243 разиГ у 289 разів

21. Температурний коефіцієнт реакції дорівнює 2, тому з підвищенням температури на 50 °С швидкість реакції зросте:А у 8 разівБ у 16 разівВ у 64 разиГ у 32 рази

22. З підвищенням температури на 50 °С швидкість реакції зросла в 1024 рази, тому що її температурний коефіцієнт g дорівнював:А 3Б 2В 4Г 3,6

23. Хімічна реакція, температурний коефіцієнт якої дорівнює 3, за тем ператури 60 °С закінчується через 36 хв, а з підвищенням тем-ператури до 80 °С через:А 2 хвБ 4 хвВ 3 хвГ 5 хв

199

24. Якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 4, то для зниження швидкості реакції в 64 рази необхідно знизити температуру на:А 48 QСБ 30 QСВ 64 QСГ 52 QС

25. Каталізатор — це речовина, яка:А підвищує швидкість реакціїБ змінює швидкість реакції, формально не беручи участі в нійВ спочатку підвищує швидкість хімічної реакції, а потім зменшує їїГ зменшує швидкість реакції

Найважливіше в розділі 4Хімічні реакції за певними ознаками їхнього перебігу поділя-

ють на такі:а) реакції сполучення;б) реакції розкладу;в) реакції заміщення;г) реакції обміну;

ґ) оборотні та необоротні;д) екзо- та ендотермічні;е) каталітичні та некаталітичні;є) окисно-відновні реакції.

Найтиповіші відновники — метали, які стоять у витискувальному ряду до алюмінію включно. До найтиповіших окисників відносять як прості речовини: F

2, Cl

2, O

2, S, так і складні: KMnO

4,

H2SO

4 (конц.), SO

3, HNO

3 (розв. і конц.), NO

2, KClO

3, K

2Cr

2O

7.

Усі хімічні перетворення завжди супроводжуються виділенням або поглинанням теплоти Q.

Закон збереження енергії для будь-якої хімічної реакції (процесу):

Q U U A U A= − + = ∆ +( ) ,2 1

де Q — теплота; U2 і U

1 — внутрішня енергія відповідно кінцево-

го та вихідного стану системи; А — робота, яку виконує система проти всіх сил, що діють на неї (зовнішній тиск, сили поверхне- (зовнішній тиск, сили поверхне-вого натягу тощо).

Внутрішня енергія складається з енергії поступального та обертального руху молекул, коливального руху атомів усередині молекул, руху електронів в атомах.

Робота за постійного тиску p дорівнює:A = p (V

2 – V

1),

де V2 і V

1 — кінцевий і вихідний об’єми речовини.

200

Теплота Qp, підведена до системи, за постійного тиску:

Qp = (U

2 – U

1) + p (V

2 – V

1) = (U

2 + pV

2) – (U

1 + pV

1)

Тепловий ефект, або ентальпія, системи

H = U + pV

Зміна ентальпії Q H H Hp = − = ∆2 1 продуктів реакції порівняно з ентальпією вихідних речовин у процесі, що відбувається за постійного тиску, чисельно дорівнює підведеній або виділеній теплоті, тобто тепловому ефекту реакції. Зміну ентальпії запи-сують у вигляді ∆H0

298, де верхній індекс 0 означає, що тепловий

ефект реакції утворення будь-якої речовини віднесено до тиску 101,325 кПа, а нижній — температуру 298 К (25 QС).

Теплові ефекти реакцій визначають за стандартних умов p = 101,325 кПа та 298 К і вказують агрегатний стан (газоподіб-ний (г), рідкий (р) чи твердий (тв)) реагентів та продуктів реакції.

Тепловий ефект хімічної реакції не залежить від шляху її перебігу, а залежить лише від природи та фізичного стану (твердого, рідкого, газоподібного) вихідних речовин і продуктів реакції. Цю закономірність називають законом Гесса.

Екзотермічними називають реакції, які відбуваються з виді-ленням теплоти, а ендотермічними — реакції, що супроводжуються поглинанням теплоти.

Рівняння хімічних реакцій, у яких наведено тепловий ефект реакції, називають термохімічними.

Учення про швидкість хімічної реакції називають хімічною кінетикою.

Швидкість хімічної реакції V визначається зміною концентрацій реагуючих речовин за одиницю часу, її вимірюють у моль/л•с.

Середню швидкість реакції в інтервалі часу від t1 до t

2 визначають

за формулою:

VC C

t t

C

tсер = ± = ±

−

−

∆

∆2 1

2 1

,

де C1 та C

2 — молярна концентрація будь-якого учасника реакції

(моль/л) у момент часу t1 і t

2 відповідно (с). Знак «–» перед дробом

відносять до концентрацій вихідних речовин, а знак «+» — до концентрацій продуктів реакції.

Закон діючих мас: швидкість хімічних реакцій за постійної температури прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у сте-пенях їхніх стехіометричних коефіцієнтів у рівняннях реакцій.

201

Для реакції aA + bB = dD закон математично виражають так:

V k C Ca b= ( ) ( ),A Bæ

де V — швидкість реакції, моль/лæс; k — коефіцієнт пропор-цій ності, який називають константою швидкості реакції; С(A) і С(B) — молярні концентрації речовин A і B, моль/л; a і b — стехіо мет рич ні коефіцієнти в рівнянні реакції.

Правило Вант-Гоффа: з підвищенням температури на кожні 10 градусів швидкість більшості хімічних реакцій зростає у два-чотири рази:

V Vt t

t t

2 1

2 1

10=−

æγ ,

де Vt1 і Vt2

— швидкості реакції відповідно за температур t1 і t

2;

g — температурний коефіцієнт швидкості реакції, який з підви-щенням температури на кожні 10 °C для більшості реакцій зміню-ється в межах від 2 до 4.

Хімічна взаємодія між частинками речовин (молекулами, атомами, йонами) відбувається лише тоді, коли ці частинки досягають певного енергетичного рівня — енергетичного бар’єру.

Частинки реагуючих речовин, запас енергії яких не нижчий за енергетичний бар’єр реакції, перебувають в особливому стані, у якому вже немає вихідних речовин, але ще немає і продуктів реакції. Його називають активованим комплексом.

Енергія активації реакції Еа — це енергія, необхідна для

збудження атомів, йонів або молекул до енергії активованого комплексу.

Каталізатори — речовини, які змінюють швидкість хімічної реак ції внаслідок багаторазової участі в проміжній хімічній вза-ємо дії між реагентами, але після кожного циклу проміжної взає-мо дії відновлюють свій хімічний склад.

Прискорювальна дія каталізатора полягає в зменшенні енергії активації реакції.

Каталіз — це явище зміни швидкості хімічної реакції за наяв-— це явище зміни швидкості хімічної реакції за наяв-ності каталізатора.

Гомогенні каталізатори перебувають у тому самому агрегатному стані, що й реагенти та продукти реакції.

Гетерогенні каталізатори (як правило, тверді речовини) пе ре бу-вають в іншому агрегатному стані, ніж реагенти та продукти реак ції.

Необоротними хімічними реакціями називають реакції, які відбу-ваються до кінця, тобто до повного витрачення будь-якої з речо вин-реагентів.

202

Оборотними хімічними реакціями називають реакції, які за да-них умов здатні водночас відбуватися як у прямому, так і у зворот-ному напрямку.

Стан хімічної рівноваги — це стан системи реагентів, за якого швидкості прямої та зворотної реакцій стають однаковими.

Константа хімічної рівноваги Kс — це відношення добутку

рівно важних концентрацій продуктів реакції до добутку рівно-важних концентрацій вихідних речовин.

На стан хімічної рівноваги впливає зміна температури прове-дення реакції, тиску та концентрації як вихідних речовин, так і продуктів реакції.

Принцип Ле Шательє: якщо на систему реагуючих речовин, що перебуває в стані хімічної рівноваги, впливати ззовні, то рівновага зміщується в тому напрямку, який послаблює ефект зовнішнього впливу.

203

Розділ 5 Найважливіші органічні сполуки

§ 47. Склад органічних сполук. Спільні й відмінні ознаки органічних і неорганічних речовин

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакеорганічнісполуки;•якіелементиобов’язкововходятьдоїхньогоскладу;•заякимиознакамикласифікуютьорганічнісполуки.

Склад органічних сполук. На теперішній час із 25 мільйонів відомих сполук приблизно 96 % є органічними. У результаті повного згоряння таких сполук утворюються карбон(IV) оксид і вода. Отже, до складу органічних речовин входять такі елементи, як Карбон, Гідроген і, можливо, Оксиген. Унаслідок розкладання органічних сполук, що називають білками, утворюється амоніак. Отже, четвертим хімічним елементом у складі органічних речовин може бути Нітроген. Установлено, що органічні сполуки можуть мати у своєму складі атоми Фосфору, Сульфуру та галогенів. Названі хімічні елементи відносять до елементів­органогенів. Найпростіші органічні сполуки містять тільки два елементи — Карбон і Гідроген, тому їх називають вуглеводнями.

Розділ хімії, що вивчає вуглеводні та їхні похідні, називають органічною хімією. Властивості органічних речовин визначаються не тільки складом, а й будовою їхніх молекул.

Спільні й відмінні ознаки органічних і неорганічних речовин. Практично всі органічні сполуки складаються з молекул, тобто мають молекулярну будову. Тому для них характерні досить низькі температури плавлення та кипіння. Через це органічні сполуки подібно до деяких неорганічних за звичайних умов є газоподіб-ними, рідкими або легкоплавкими твердими речовинами.

Однак, на відміну від багатьох неорганічних сполук, орга ніч-ні речовини, як правило, горючі, а в результаті досить слаб кого нагрівання навіть розкладаються. Здебільшого вони не роз чи-няються у воді, а розчинні у воді органічні речовини не про водять електричного струму. Отже, атоми в органічних спо лу ках сполучені між собою ковалентними неполярними або слаб ко по-лярними хімічними зв’язками.

204

Класифікація органічних сполук. Поряд із класифікацією за складом органічні сполуки поділяють: • за будовою так званого карбонового скелета на циклічні — ланцюг з атомів Карбону, замкнутий у цикл, та ациклічні (аліфатичні) — ланцюг з атомів Карбону, не зам кнутий у цикл (префікс а­ означає заперечення):

C

C

C C

C C —C—C—C—C—C—

• за кратністю хімічного зв’язку на насичені — атоми Карбону сполучені між собою лише одинарним хімічним зв’язком — та ненасичені — атоми Карбону сполучені між собою подвійним або потрійним хімічним зв’язком:

—C—

——

C—

——

C—

——

C—

——

C—

—— —

——C—

—C

—

CC —————

• за наявністю певних функціональних груп атомів (наприклад, —OH, —COOH, —NH

2), тобто груп, що визначають властивості

органічних сполук, на класи: їх називають відповідно класом спиртів, карбонових кислот, амінів та ін.Значення органічних сполук. Органічні сполуки відіграють

значну роль у природі, тому що життя на Землі пов’язане саме з їхнім виникненням. Величезне значення вони мають і в житті людини. Це стосується органічних речовин як природного поход-ження, так і штучного. Вони є основою харчових продуктів, різних видів палива, лікарських препаратів, мийних засобів тощо. З них виробляють барвники, конструкційні матеріали, засоби захисту рослин, добрива та ін.).

Основні поняття. Елементи-органогени. Насичені та ненасичені, циклічні й ациклічні органічні сполуки.

Запитання та завдання 1. Яку частку з відомих на теперішній час речовин становлять

органічні сполуки? 2. Які з елементів Періодичної системи відносять до елементів-

органогенів? 3. Укажіть органічні кислоти: карбонатна, сульфатна, етанова, орто-

фос фатна, хлоридна, щавлева, сульфідна, фторидна, лимонна, мета-силікатна.

4. Яку будову — атомну, йонну чи молекулярну — мають органічні сполуки?

5. Який тип хімічного зв’язку реалізується в молекулах органічних сполук? Якими фізичними властивостями можна це підтвердити?

6. Чим насичені органічні сполуки відрізняються від ненасичених?

205

§ 48. Особливості будови атома Карбону

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якувалентністьзавждимаєатомКарбонуворганічнихсполуках;•щотакекарбоновийскелетіякимвінбуває;•якоюформулоювиражаютьбудовуорганічноїсполуки.

Будова атома Карбону. Особливості будови атома Карбону полягають у тому, що в основному (нормальному) стані він має два неспарені електрони, а в збудженому стані, у який він переходить у результаті поглинання світлової або теплової енергії, — чотири неспарені електрони:

n = 2

n = 1

+ hνn = 2 p

sn = 1

s

p

îñíîâíèéñòàí

çáóäæåíèéñòàí

В органічних речовинах атоми Карбону є чотиривалентними. Во ни сполучаються один з одним, утворюючи «каркас» молекули, який називають карбоновим скелетом, або карбоновим ланцюгом. Ланцюги бувають відкритими (нерозгалуженими, або нормальними, і розгалуженими), а також замкнутими (циклічними):

—C—

——

C—

——

C—

——

C—

——

C—

——

C—

——

—C—

——

C—

——

C—

——

C—

——

—C—

—

C—

—

C

——

——C

C

——C

C——

C——

——

â³äêðèòèéíåðîçãàëóæåíèé

ëàíöþã

â³äêðèòèéðîçãàëóæåíèé

ëàíöþã

çàìêíóòèé(öèêë³÷íèé)

ëàíöþã

Другою важливою особливістю атомів Карбону, що входять до скла ду органічних сполук, є їхня спроможність утворювати хіміч-ні зв’язки між собою — одинарні, подвійні та потрійні:

—C—

——

C—

——

C—

——

C—

——

C—

—— —

——C

——

C

—

CC —————

Ці властивості атомів Карбону зумовлюють велику різнома-нітність органічних сполук. Проте вони мають і деякі спільні властивості.

206

Структурні формули. Кожна органічна речовина має тільки їй притаманну будову, яку виражають лише однією структурною формулою. Останню записують у скороченій формі, де зв’язки з атомами Карбону позначають валентними рисками, або в розгор-нутій формі, де зображують усі хімічні елементи та всі хімічні зв’язки. Склад молекул пропану, пропену та пропіну відповідно в скороченій та розгорнутій формах можна подати в такому вигляді:

H C 3 —CH2 CH3—

HH H

HH— —C

——

C—

——

C—

——

H H H

CH3H C 2 CH—

——

——

H H

HC—

—C—

—

C—

——

H H H

CH3—HC

C

C

H

C

—

———

H

H—C—

——

H

———

ïðîïàí ïðîïåí ïðîï³í

За допомогою структурних формул можна передати лише послі-довність сполучення атомів у молекулі тієї чи іншої речовини, але не розміщення їх у просторі:

—CH2 CH3CH3 —CH2—CH2—

CH3

CH

CH2—

—

H C 3

—

CH3

—

CH3

CH3

CH3 CH3—C—

——

ïåíòàí 2-ìåòèëáóòàí 2,2-äèìåòèëïðîïàí

Основні поняття. Основний і збуджений стан атома Карбону. Карбоновий скелет. Розгалужений, нерозгалужений і циклічний ланцюги. Структурна формула.

Запитання та завдання °1. Який стан атома Карбону називають основним? Як пере-

вести атом Карбону в збуджений стан? °2. Якими властивостями Карбону зумовлена різноманітність

органічних речовин? °3. Яку валентність виявляє атом Карбону в органічних сполуках? 4. Що називають карбоновим ланцюгом молекули органічної речовини?

Наведіть приклади відкритого та замкнутого ланцюга молекули із шести атомів Карбону.

5. Що можна передати за допомогою структурної формули органічної речовини: послідовність сполучення атомів у молекулі чи їхнє розміщення в просторі?

*6. Подайте склад молекули бутану C4H

10 у вигляді структурної формули,

зображеної в скороченій і розгорнутій формах. *7. Визначте ступінь окиснення атома Карбону в органічних сполуках

CH3OH, C

2H

2, CH

4, HCOOH, C

3H

8.

207

§ 49. Метан: молекулярна, електронна і структурна формули, поширення у природі

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакегомологічнийрядігомологічнарізниця;•якоюєзагальнаформулагомологічногорядуалканів;•якскладаютьназвиалканів.

Метан (рудниковий, або болотний, газ) має молекулярну формулу CH

4. Його електронна та структурна формули, а також

модель молекули у формі тетраедра мають такий вигляд:

H C

H

H

H HH—

H

C

H

——

—

åëåêòðîííàôîðìóëà

ñòðóêòóðíàôîðìóëà

ìîäåëüìîëåêóëè

Метан — безбарвний газ, без запаху, погано розчинний у воді, легший за повітря. Назву «болотний газ» метан одержав через те, що він утворюється під час гниття рослинних залишків на дні болот без доступу повітря. Метан є основою атмосфери Сатурна, Юпітера та його супутника Титана.

Метан є першим, найпростішим представником гомологічного (від грец. однаковий) ряду алканів, або насичених вуглеводнів. Починаючи з метану CH

4, можна побудувати ряд сполук, у якому

кожен наступний член відрізнятиметься від попереднього на одну групу атомів —CH

2—. Останню називають метиленовою групою,

або гомологічною різницею.Гомологи — це сполуки, які мають однотипну будову та близькі

хімічні властивості, але відрізняються кількістю груп —CH2—.

У ряду алканів, тобто насичених органічних сполук, атоми Карбону сполучені між собою тільки простими (одинарними) хімічними зв’язками, інші їхні валентності насичені атомами Гідрогену. Вони утворюють гомологічний ряд із загальною формулою C

nH

2n + 2, тобто ряд насичених вуглеводнів з відкритим

ланцюгом, де n — натуральне число 1, 2, 3 і т. д., що відображає кількість атомів Карбону в молекулі алкану.

Склад і назви перших 10 членів гомологічного ряду алканів, або ряду метану, подано в таблиці 9.

Назви перших чотирьох членів гомологічного ряду алканів — метан, етан, пропан, бутан — є історичними. Назви інших алканів з нерозгалуженим ланцюгом складають із грецької або латинської

208

Табли

ця 9

Назв

и, м

олек

улярні та

стр

укту

рні ф

орм

ули а

лканів

Числ

о ато

мів

К

арбо

ну,

n

Фор

мул

иН

азв

им

олек

улярні

струк

турні (с

кор

очен

і)

1CH

4CH

4М

етан

2C

2H

6CH

3—

CH

3Ета

н

3C

3H

8CH

3—

CH

2—

CH

3П

роп

ан

4C

4H

10

CH

3—

CH

2—

CH

2—

CH

3Бута

н

5C

5H

12

CH

3—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

3П

ента

н

6C

6H

14

CH

3—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

3Гек

сан

7C

7H

16

CH

3—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

3Геп

тан

8C

8H

18

CH

3—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

3О

кта

н

9C

9H

20

CH

3—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

3Н

онан

10

C10H

22

CH

3—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

2—

CH

3Д

екан

209

назви числівника, яка відповідає кількості атомів Карбону в лан-цюзі, з додаванням суфікса ­ан. Так, грецька назва числівника 6 — гекса, тому вуглеводень C

6H

14 має назву гексан.

Із структурних формул алканів (табл. 9) видно, що вони мають нерозгалужений ланцюг, тому іноді, наприклад, C

6H

14 ще

називають н­гексаном.

Основні поняття. Гомологічний ряд. Гомологічна різниця. Алкани.

Запитання та завдання

°1. Чому метан називають болотним газом?

°2. Яка молекулярна, електронна та структурна формула метану? Яку геометричну форму має його молекула?

°3. Що таке гомологічна різниця? Яка її формула? На що вона вказує?

4. Яка загальна формула гомологічного ряду алканів? Як утворюють назви членів гомологічного ряду алканів?

5. Із молекулярних формул органічних речовин C7H

16, C

6H

12, C

9H

18,

C4H

10, C

5H

12, C

7H

12, C

3H

8, C

6H

6, C

8H

18 виберіть ті, що відповідають

алканам.

6. Який склад і назву має вуглеводень ряду метану із числом атомів Карбону, що дорівнює 8? Яка його структурна формула?

*7. Складіть молекулярні формули алканів, у молекулах яких: а) 11 атомів Карбону; б) 20 атомів Гідрогену; в) 32 атоми Гідрогену.

*8. Обчисліть відносну густину метану: а) за воднем; б) за повітрям.

9. Насичений вуглеводень масою 18 г містить 3 г Гідрогену. Установіть молекулярну формулу цього вуглеводню.

10. Обчисліть масову частку Карбону: а) у метані; б) у пропані. Як змі-ню єть ся масова частка Карбону в алканах зі збільшенням числа атомів Карбону в молекулі?

11. Обчисліть масу водню, яка витрачається на утворення 32 г метану із простих речовин.

12. Обчисліть масу кисню, що прореагував з метаном, якщо утворився вуглекислий газ об’ємом 67,2 л (н. у.).

210

§ 50. Ізомерія: складання формул ізомерів. Моделі молекул. Значення моделювання в хімії

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакеізомериічимвонивідрізняютьсяодинвідодного;•якихформнабуваєкарбоновийланцюг;•яккарбоновийланцюгзображуютьумоделях;•якскладаютьформулиізомерів.

Що таке ізомерія. Ізомерія — це явище існування речовин з одна -ко вим якісним і кількісним складом (і, як наслідок, віднос ною мо-ле ку ляр ною масою), але таких, що відрізняються будовою, а от же, і властивостями.

Так, у гомологічному ряду алканів, починаючи з бутану, поря-док розташування атомів у молекулі може бути у вигляді прямого (бутан) або розгалуженого (ізобутан) ланцюга:

H

CH H

H

—— —

——

H

C

H

—

——

H

C

H

——

H

C

H

—

——

HH

HC

CC

HH

H

HH

H

CH

áóòàí ³çîáóòàí

Бутан з нерозгалуженим ланцюгом атомів Карбону називають нормальним, а з розгалуженим — ізомерним. Ці речовини від-різ няються лише фізичними властивостями (температурами плав- (температурами плав-лення та кипіння).

Якщо ізомери є представниками різних класів органічних сполук, наприклад етанол і диметиловий етер, то вони відрізняються не лише фізичними, а й хімічними властивостями.

OH

H

CH

H

——

——

H

C

H

—

——

H H

HH— —C

——

O—C—

——

H H

åòàíîë äèìåòèëîâèé åòåð

Зі зростанням кількості атомів Карбону кількість ізомерів збіль-шується. Так, метан, етан і пропан не мають ізомерів. Бутан існує у вигляді двох ізомерів, пентан (C

5H

12) — трьох, гексан (C

6H

14) —

п’яти, октан (C8H

18) — вісімнадцяти, декан (C

10H

22) — сімдесяти

п’яти, а ейкозан (C20H

42) — у вигляді 366 319 ізомерів.

211

Складання формул ізомерів алканів. Структурні формули, наприклад, гексану C

6H

14 можна скласти в такій послідовності:

• записуємо формулу гексану з нерозгалуженим ланцюгом атомів Карбону та нумеруємо їх:

CH3

1 2 3 4 5 6

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

• скорочуємо довжину карбонового ланцюга гексану на один атом Карбону:

—CHCH3 —CH —CH3

CH3

1 2 3 4 5

2-ìåòèëïåíòàí 3-ìåòèëïåíòàí

—

2—CH2 —CHCH3 —CH —CH3

CH3

1 2 3 4 5

—

—CH22

Як бачимо, метильна група —СН3 приєднується до 2-го або 3-го

з п’яти атомів Карбону нерозгалуженого ланцюга, тому сполука отримує назву відповідно 2- чи 3-метилпентан, де цифри вказують на номер атома Карбону;• скорочуємо довжину карбонового ланцюга на два атоми Кар-бону:

—CHCH3 —CH—CH3

CH3CH3

1 2 3 4

2,3-äèìåòèëáóòàí 2,2-äèìåòèëáóòàí

——

2—CCH3 —CH —CH3

CH3

CH3

—

1 2 3 4—

Тут дві метильні групи —СН3, отже, у назві з’являється пре-

фікс ди­, а цифри вказують, до яких за порядком атомів Карбону в ланцюзі приєдналася ця група.

Отже, як утворюють назви ізомерів алканів? Щоб дати назву ізомеру, виконують такі дії:

1) вибирають найдовший нерозгалужений ланцюг атомів Кар-бону:

—CHCH3 —CH—CH3

CH3

—

1 2 3 4

CH3

—

2) називають насичений вуглеводень, що відповідає такому лан-цюгу, — у цьому випадку бутан, оскільки нерозгалужений ланцюг містить чотири атоми Карбону;

3) положення замісників атомів Гідрогену в бічних ланцюгах позначають номером атома Карбону, біля якого перебуває замісник (у цьому випадку два метильні радикали —CH

3 біля 2-го та 3-го

атомів Карбону). У результаті маємо таку назву вуглеводню: 2,3-диметилбутан.

212

Створення моделей молекул органічних сполук. Наведені струк-турні формули ізомерів гексану вказують на певну послідовність спо лучення атомів у молекулі, але не відображають її просторової будови, зокрема не дають уявлення про величину валентних кутів. Відомо, наприклад, що кути між зв’язками C—C у молекулі гексану дорівнюють 109,5°. У наведеній вище структурній формулі н-гек сану показано, що цей кут начебто дорівнює 180°. У дійсності кар бо новий ланцюг молекул насичених вуглеводнів має не лі ній ну, а зигзагоподібну будову. Останню передають у ви-гляді кулестрижневих моделей, наприклад (рис. 38):

C

C

C

CC

C109,5°

Рис. 38. Кулестрижнева модель молекули н-гексану

Кулестрижневі моделі вуглеводнів є спрощеними й не дають уявлення про відносні розміри атомів і відстані між ядрами. Тому використовують також масштабні моделі вуглеводнів, у яких атоми зображують у вигляді кульок, сплющених відповідно до відстаней між їхніми ядрами (рис. 39):

à á

Рис. 39. Масштабні моделі молекул: а — метану CH

4; б — етану C

2H

6

Масштабні моделі дають уявлення про просторове розміщення атомів у молекулі органічної речовини.

Демонстраційний дослідМоделі молекул вуглеводнівУкулестрижневихмоделяхкулькамизображуютьядраатомів,астрижнямипоказуютьнапрямокурозташуванніхімічнихзв’язківівеличинивалентнихкутів. Моделі атомів з’єднують у молекули за допомогою з’єднувальнихстрижніврізноїдовжини.За міжнародними стандартами для моделей атомів хімічних елементівзастосовуютьтакікольори:Карбон—чорний,Гідроген—білий,Оксиген —червоний, Нітроген — блакитний (синій), Сульфур — жовтий, Хлор —зелений.Зробітьсамостійномоделімолекулметанутаетану.

213

Лабораторний дослід 14Виготовленнямоделеймолекулвуглеводнів•ВиготовленнякулестрижневоїмоделімолекулиметануВізьміть одну чорну кульку й чотири білі, чотири пластмасові стрижнідовжиною 35  мм. В отвори чорної кульки вставте стрижні, на вільнікінці насадіть білі кульки меншого діаметра— моделі атомів Гідрогену.Подібним способом можна виготовити кулестрижневі моделі молекулметану(рис. 40, а),етану(рис. 40,б)іпропану(рис. 40,в).

à á â

≈109°

Рис. 40. Кулестрижневі моделі молекул: а — метану; б — етану; в — пропану

За відсутності набору моделей атомів кулестрижневі моделі можнавиготовити з пластиліну. У такому разі використовують чорний і білийабосвітлийпластилінісірники,виготовляютьбілікулькиатомівГідрогенудіаметромприблизно24мм,ачорнікулькиатомівКарбону —діаметром36мм,тобтов1,5разабільшівідкульокатомівГідрогену.•ВиготовленнямасштабноїмоделімолекулиметануСпочатку з білого або світлого пластиліну виготовляють чотири кулькиатомів Гідрогену діаметром 31  мм. Потім від кожної кульки відрізаютьсегмент(рис.41,а).

à á â

∅27

23

∅31 ∅27

∅48

44

44

Рис. 41. Масштабні моделі: а — атома Гідрогену; б — атома Карбону; в — молекули метану

З темного пластиліну виготовляють кульку атома Карбону діаметром48,5  мм (рис. 41, б). На кульці роблять чотири рівновіддалені по кутахтетраедра позначки для з’єднувальних стрижнів. З боку позначоквідрізають сегменти. У центри перерізу вставляють невеликі сірниковіпалички,наякінадягаютьбілікулькиатомівГідрогену(рис.41,в).

Основні поняття. Ізомерія. Кулестрижневі та масштабні моделі молекул.

214

Запитання та завдання °1. Як називають явище існування речовин з однаковою від нос-

ною молекулярною масою, але різними властивостями? °2. Від чого залежить кількість ізомерів представників ряду

алканів? Починаючи з якого гомолога ряду алканів спостерігається явище ізомерії?

°3. Який ланцюг атомів Карбону в молекулах алканів називають нор-маль ним, а який — розгалуженим, або ізомерним?

4. Чи відображають структурні формули ізомерів алканів просторову будову молекул? Чому?

5. Яка величина кутів між зв’язками C—C у молекулах алканів? 6. Яка з моделей карбонового ланцюга молекул алканів — кулестрижнева

чи масштабна — більшою мірою спрощена? Чому? 7. Дайте визначення поняття «гомологічний ряд». Напишіть моле-

кулярні та структурні формули алканів, які містять 6, 10, 13 і 15 ато-мів Карбону.

8. Який об’єм (н. у.) займатиме бутан: а) кількістю речовини 0,15 моль; б) масою 34,8 г?

9. Яку масу має пропан: а) об’ємом 17,92 л (н. у.); б) кількістю речовини 0,95 моль?

10. У якому алкані — гексані чи пентані — масова частка Карбону біль-ша? Відповідь підтвердьте розрахунками.

*11. Дайте назву алканам за наведеними нижче формулами:

—CHCH3 —CH—CH3

CH3

—

2

a á

C—

——

— —

—

CH3

CH3

CH

CH

3

CH3

CH3

â

CH3CH2—C—

——

—

CH3

CH3

CH3

*12. Складіть структурні формули таких алканів: а) 2,2,3-триметилгексану; б) 2,2-диметилпропану. *13. Складіть структурні формули всіх ізомерів, що відповідають мо ле ку-

ляр ній формулі: а) C4H

10; б) C

5H

12; в) C

7H

16.

§ 51. Фізичні та хімічні властивості гомологів метану

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•чивідрізняютьсятемпературикипінняізомерівалканів;•уякихрозчинникахрозчиняютьсяалкани;•якіреакціїнайхарактернішідляалканів;•якареакціявідбуваєтьсязаланцюговиммеханізмом.

Фізичні властивості. Насичені вуглеводні з кількістю атомів Кар бону в молекулі від одного до чотирьох — газоподібні речовини. Спо луки з кількістю атомів Карбону від С

5 до С

17 —

рідини, а з біль шою кількістю — тверді речовини (табл. 10).

215

Таблиця 10Агрегатний стан і фізичні властивості

деяких представників гомологічного ряду метану

Формула НазваАгрегатний стан

(н. у.)

Температура, °С

плавлення кипіння

CH4 Метан Газ –189 –162

C2H

6 Етан Газ –172 –88

C3H

8 Пропан Газ –187 –42

C4H

10 Бутан Газ –138 –0,5

C5H

12 Пентан Рідина –132 36

C6H

14 Гексан Рідина –94,3 69

C7H

16 Гептан Рідина –90 98

C8H

18 Октан Рідина –56,5 124

C9H

20 Нонан Рідина –51 151

C10H

22 Декан Рідина –32 174

Починаючи з бутану C4H

10 збільшення довжини карбонового

ланцюга на один атом Карбону спричиняє підвищення температури кипіння вуглеводнів на 20–30 °C. Алкани з нерозгалуженим лан-цю гом мають температуру кипіння вищу, ніж їхні розгалужені ізомери.

Молекули алканів неполярні, а отже, практично нерозчинні в по лярному розчиннику — воді. Вони розчиняються тільки в не-по лярних або слабополярних органічних розчинниках (у бензені C

6H

6, хлороформі CH

3Cl).

У чистому вигляді алкани безбарвні й мають слабкий запах. Рідкі алкани — хороші розчинники.

Хімічні властивості. Гомологи метану горять на повітрі або в кисні з утворенням карбон(IV) оксиду та води, у яких атоми Карбону й Гідрогену мають максимальний ступінь окиснення відповідно +4 і +1. У результаті реакції повного окиснення виділяється значна кількість теплової енергії:

CH O CO 2H O4 2 2 2+ = ↑ + +2 88 кДж

Це зумовлює використання метану — основної складової при-род ного газу як газоподібного палива.

Для гомологів метану досить характерними є реакції заміщення, зокрема галогенування, тобто реакції, у яких атом Гідрогену заміщується атомом галогену. Якщо заміщення відбувається

216

атомом Хлору, реакцію називають хлоруванням. Як правило, перебіг цих реакцій потребує досить високих температур. Для здійснення процесу хлорування метану необхідно підтримувати температуру 250–400 °С, а також забезпечити яскраве освітлення.

Реакція хлорування відбувається в декілька стадій. Спочатку атом Хлору заміщує атом Гідрогену:

H— —C—

—H

H

H

+ Cl—Cl H— —C

——

Cl

H

H

+ HCl

õëîðîìåòàí

Потім утворена молекула хлорометану взаємодіє з новою молекулою хлору:

Cl

H— —C

——

H

H

+ Cl—Cl

Cl

H— —C

——

Cl

H

+ HCl

äèõëîðîìåòàí

Далі дихлорометан CH2Cl

2 вступає в реакцію заміщення з на-

ступною молекулою хлору і т. д., поки всі атоми Гідрогену в мо-лекулі метану не будуть заміщені на атоми Хлору:

Cl

H— —C

——

H

Cl

+ Cl—Cl

Cl

H— —C

——

Cl

Cl

+ HCl

òðèõëîðîìåòàí

Cl

Cl— —C

——

H

Cl

+ Cl—Cl

Cl

Cl— —C

——

Cl

Cl

+ HCl

òåòðàõëîðîìåòàí

Отже, під час перебігу кількох стадій реакції утворюється су міш галогенопохідних вуглеводнів. Відповідно до кількості заміщених атомів Гідрогену в назвах використовують префікси ди-, три-, тетра-. Оскільки існують органічні сполуки з подвійним хімічним зв’язком, наприклад CH

2=CH

2, знак рівності в рівняннях реакцій

замінюють стрілкою →.Реакції галогенування відбуваються і з іншими алканами. Такі

реакції ще називають ланцюговими. Із цієї точки зору реакція починається з розпаду молекули Cl

2 на два атоми з неспареними

електронами:Cl Cl Cl: hν → •2

217

Далі радикал атакує зв’язок C—H у молекулі метану:

Cl H CH H Cl CH• •+ → +: :3 3метильний

радикал

Метильний радикал атакує молекулу хлору з утворенням хлоро-

метану та вільного радикалу Cl•:H C Cl Cl H C Cl Cl3 3

• •+ → +: :Радикал Хлору атакує молекулу CH

4, і повторюються описані

вище реакції. У міру накопичення в реакційному середовищі пер-шого продукту реакції — хлорометану — він стає об’єктом атаки но вого вільного радикалу Хлору. Таким чином, відбувається утворення ди-, а в подальшому три- і тетрахлорометану:

+ ClH—

H

C

Cl

——

H H—

H

C

Cl

——

+ HCl

õëîðîìåòàí

+ Cl ClH—

H

C

Cl—

—

H—

H

C

Cl

——

+ Cl

äèõëîðîìåòàí

Cl

Демонстраційний дослідОкиснення парафіну, визначення його якісного складу за продуктами окиснення

Рис. 42. Прилад для проведення реакції окиснення парафіну

У суху пробірку висипають порошок купрум(ІІ) оксиду масою 0,5 г і  па-рафін масою 0,2 г. Потім пробірку із сумішшю злегка підігрівають длярозплавленняпарафіну,щобречовиникращеконтактували.Пробірку з реагентами закріплюють горизонтально в лапці штатива,вносятьдонеїбезводнийкупрум(ІІ)сульфат(сільрозміщуютьбіляотворупробірки).Пробіркузакриваютьпробкоюзгазовідвідноютрубкою,кінецьякоїзанурюютьупробіркузвапняноюводоюCa(OH)

2об’ємом2–3мл.

Суміш спочатку прогрівають на слабкому полум’ї, а потім нагріваютьінтенсивно. Спостерігають помутніння вапняної води та посиніння без-водногокупрум(ІІ)сульфату.ЦесвідчитьпронаявністьупарафініатомівКарбонутаГідрогену.Виймають газовідвідну трубку з вапняної води, припиняють нагрівання.Коли пробірка охолоне, виймають з неї купрум(ІІ) сульфат та продукти

218

реакції,середякихчервонамідь.Перебігхімічнихреакцій,яківідбулисяв пробірці,можнаописатитакимирівняннями:

C H +(3 +1)CuO = CO + ( +1)H O+(3 +1)Cu2 + 2 2 2n n n n n nпарафін

↑ ↓

CO2+Ca(OH)

2=CaCO

3 ↓ +H

2O

CuSO4+5H

2O=CuSO

4·5H

2O

Демонстраційний дослідВідношеннянасиченихвуглеводнівдорозчинівкислот,лугів,окисників

• Добування метану з натрій етаноату та натрій гідроксидуІзцієюметоювикористовуютьприлад,якийзображенонарис.43.

Рис. 43. Прилад для добування невеликих об’ємів метану

Перевіряють прилад на герметичність. На аркуш паперу насипають1  частину натрій етаноату та 2 частини натрій гідроксиду, перемішуютьскляноюпаличкоюівисипаютьусухупробірку,ємністьякоїнеперевищує1/4 її вмісту. Закривають пробірку пробкою з газовідвідною трубкою,закріплюютьулапціштативазнахиломубікпробки.Цероблятьдлятого,щобпробірканетріснулаприпотрапляннінанеїводи,якаможевиділитисяз недостатньо прожарених натрій етаноату та натрій гідроксиду. Кінецьгазовідвідної трубки підводять під перевернуту догори дном пробіркуз водою,якувміщуютьукристалізатор.Уштативставлятьпробіркизхлоридноюкислотоютарозчинами(по 2–3 мл)калійперманганатуйнатрійгідроксиду.Спочатку прогрівають у полум’ї спиртівки всю пробірку, а потім сильнонагрівають суміш на дні. При нагріванні полум’я спиртівки перемішуютьтак,щобнагріваласявсясуміш.Перевіряють,чиутворюєтьсяметан:кінецьгазовідвідної трубкизанурюютьукристалізаторзводою ідобульбашокгазу,щовиділяється,підносятьзапаленийсірник.Якщогазспалахує,тометанутворюєтьсяійогоможназбиративпробірку:

íàòð³é åòàíîàò

íàòð³é ã³äðîêñèä

CH 3 3+ONa +CH 4t°

↑ Na CO O

——C— — NaOH → 2

219

• Дослідження відношення метану до розчинів кислот, лугів, окисниківГазовідвіднутрубкузпробірки,заповненоїметаном,занурюютьпочерзівпробіркизхлоридноюкислотою,розчинаминатрійгідроксидутакалійперманганату.Ніякихзмінувсіхтрьохпробіркахнеспостерігається.Отже,метанневзаємодієзречовинамицихкласів.Застосування метану та його гомологів. Усі наведені хлоропохідні

метану широко застосовуються. Хлорометан використовують як розчинник, CH

2Cl

2 і CHCl

3 — у медицині, а CCl

4 — під час гасіння

пожеж та як розчинник.З насиченими вуглеводнями ми стикаємося практично на кож-

ному кроці (рис. 44). Метан використовують як газоподібне па-ли во. Крім того, велику кількість метану високотемпературними ре ак ціями перетворюють на сировину для одержання метилового спирту CH

3OH, синтетичного бензину, амоніаку тощо.

Ïîáóòîâèé ãàç

Ìàñòèëüí³ìàòåð³àëè

Ìîòîðíåïàëèâî

Âèðîáíèöòâîàñôàëüòó

Âèðîáíèöòâî ïëàñòìàñ, êàó÷óê³â,

ñèíòåòè÷íèõâîëîêîí

Ïàðàô³íîâ³ñâ³÷êè

Ñ Hn

Àëêàíè

2n+2

Рис. 44. Застосування насичених вуглеводнів

Похідні метану, зокрема хлороформ CHCl3, використовують

для виготовлення мазей, препаратів проти шлункових розладів.Тетрахлорометан застосовують для виготовлення фарб.

Гомологи метану є найважливішими складовими моторного палива — бензину й гасу. Парафінові свічки — це суміш твер дих алканів, а вазелін як основа для виготовлення мазей містить, поряд із твердими, рідкі алкани. Останні входять і до складу асфальту.

Основні поняття. Реакції повного окиснення й галогенування.

220

Запитання та завдання 1. Складіть молекулярну формулу алкану, який містить

дев’ять атомів Карбону.

2. Як змінюються температури плавлення та кипіння алканів з підвищенням числа атомів Карбону в їхньому складі?

3. Складіть структурні формули всіх вуглеводнів складу C7H

16.

4. Чому метан і його гомологи здатні вступати лише в реакції заміщення і не здатні вступати в реакції приєднання?

5. Які речовини можна одержати з метану? Де їх застосовують?

6. Який об’єм кисню (н. у.) необхідно витратити, щоб спалити 250 г бутану?

7. Який об’єм карбон(IV) оксиду (н. у.) утвориться в результаті згоряння 2 моль гептану?

8. Який об’єм (н. у.) гідроген хлориду утвориться внаслідок взаємодії метану з 112 л хлору, якщо будуть заміщені всі атоми Гідрогену в молекулі метану?

9. Який об’єм кисню (н. у.) треба витратити для спалювання суміші, що складається з 2 л етану та 0,5 л пропану?

10. Який об’єм карбон(IV) оксиду (н. у.) утвориться внаслідок спалюван-IV) оксиду (н. у.) утвориться внаслідок спалюван-) оксиду (н. у.) утвориться внаслідок спалюван-ня суміші, що складається з 3 л етану та 2 л бутану?

11. Визначте відносну густину за воднем: а) бутану; б) гексану.

12. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення: CH

4 → CH

3Cl → CH

2Cl

2 → CHCl

3 → CCl

4. Дайте назви

наведеним речовинам.

13. Складіть рівняння реакції повного окиснення пропану. Який об’єм кисню потрібен для спалювання 20 л (н. у.) пропану? Який об’єм вуг-лекислого газу при цьому утвориться?

14. Складіть рівняння реакції повного згоряння етану. Який об’єм кис-ню потрібен для спалювання етану об’ємом 11,2 л (н. у.)? Який об’єм (н. у.) вуглекислого газу при цьому утвориться?

15. Насичений вуглеводень масою 29 г містить 5 г Гідрогену. Визначте формулу цього вуглеводню.

221

§ 52. Етен та етин: молекулярні, електронні та структурні формули, фізичні й хімічні властивості

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакененасиченівуглеводні;•якареакціяєякісноюнаалкенийалкіни.

Склад молекул. Етен (етилен) та етин (ацетилен) є першими представниками ненасичених вуглеводнів, у молекулах яких атоми Карбону сполучені між собою кратними зв’язками. Так, у молекулі етену та його гомологів кратність зв’язку між атома-ми Карбону дорівнює 2, у молекулі етину та його гомологів — 3 (рис. 45).

à á

óäðîãåí Êàðáîí

Рис. 45. Кулестрижневі моделі молекул: а — етену; б — етину

Молекулярні формули цих вуглеводнів подають як C2H

4 — етен

і C2H

2 — етин. Їхні електронні та структурні формули можна

зобразити відповідно так:

H

H

C C

H

H ——

H H

C

—

C—H

—

H— H C C H —H C——— HC—

åòåí åòèí

Хімічні властивості етену й етину1. Етен й етин, так само як і алкани, згорають з виділенням

значної кількості теплоти, особливо етин. Суміш останнього з по-. Суміш останнього з по-вітрям вибухонебезпечна. Завдяки тому, що під час згорання етину (ацетилену) виділяється велика кількість теплоти, його використовують у процесі зварювання та різання металів:

H C CH—— 3O22 2+ =2CO2 +↑ ↑2H O2

åòåí åòèí

2HC CH 5O2+ =4CO2 +2H O2———

222

2. Етен та етин реагують з воднем під час нагрівання та за наявності каталізатора — нікелю. У результаті цих реакцій гід­рування утворюється насичений вуглеводень — етан:

C H H C HNi

2 4 2 2 6етен етан

+ →t,

C H H C HNi

2 2 2 2 62етин етан

+ →t,

3. Етен та етин аналогічно до водню приєднують галогени, зок-рема бром:

åòåí

1,2-äèáðîìîåòàí

——CH2 + H C2 Br2 CH2 CH2

— —Br Br

—åòåí

1,1,2,2-òåòðàáðîìîåòàí

——— HC— —C

——

HCH+ HC 2Br2

Br

Br

——

Br

Br

Наведені реакції приєднання брому є якісними реакціями на ненасичені вуглеводні, тому що внаслідок їхнього перебігу відбувається знебарвлення червоно-бурого кольору бромної води. Через це такі реакції використовують для виявляння ненасичених вуглеводнів.

Демонстраційний дослідДослідження властивостей етену• Добування етенуЗбираютьприладдлядобуванняетену(рис.46).

Рис. 46. Прилад для добування етену

Усухупробіркуналивають3–4млсумішідлядобуванняетену(1частинуетанолузоб’ємноючасткою96%і3частиниконцентрованоїсульфатноїкислоти).Щобутворенасумішрівномірнокипіла,упробіркудодаютьтрохипіску.Пробірку закривають газовідвідною трубкою, закріплюють у лапціштативатак,щобїїднобулонижчевідотвору.Кінецьгазовідвідноїтрубкизанурюютьупробіркузрозчиномбромноїводиабокалійперманганату.Пробіркуізсумішшюобережнонагрівають.Спочаткунагріваютьвсюпро-бірку,щобвитиснутиповітря.Потімнагріваютьсумішуслабкомуполум’їспиртівки. Спостерігають почорніння суміші та виділення газоподібногоетену:

CH CH OH CH CH H O3 2H SO

2 2 2.2 4

концетен

→ = ↑ +— —

223

•ВідношенняетенудобромноїводиУ пробірку наливають бромну воду (розчин Br

2 у воді) об’ємом 1–2  мл

і  пропускають крізь неї газ,що виділяється. Знебарвлення води є  свід-ченнямнаявностігазуетену.

• Горіння етенуГазовідвіднутрубкупіслязнебарвленнябромноїводивиймаютьізпробіркий перевертають догори отвором. Етен підпалюють. Він горить світлимполум’ям:

CH2 = CH

2+3O

2 → 2CO

2 ↑ + 2H

2O

Демонстраційний дослідДослідження властивостей етину

• Добування етинуУ пробірку вміщують 3–4 шматочки кальцій карбіду CaC

2 величиною

з горошинуйукріплюютьпробіркувлапціштативавертикально.Наливаютьводу об’ємом 2–3  мл. Закривають пробірку корком з газовідвідноютрубкою,кінецьякоїзанурюютьупробіркузбромноюводою.

H—C+ 2H O2 C———— + Ca(OH)2↓

етинкальцій карбід

Ca HC

C— —— —

—

•ВідношенняетинудобромноїводиЕтин,щоприцьомувиділяється,реагуєзбромноюводоювідповіднодорівнянняреакції:

—HC

1,1,2,2-тетрабромоетан

2Br 2———CH + HC CH

Br

—

Br

—

Br

—

Br

—

У результаті реакції відбувається знебарвлення розчину. Цей дослідпідтверджує існування потрійного зв’язку, а отже, й утворення етину.

• Горіння етинуПозавершеннідослідузівзаємодіїетинузбромноюводоюгазовідвіднутрубкувиймаютьзрозчинуйповертаютьотворомдогори.Етинзапалюють.Вінгоритькіптявимполум’ям,щоєдодатковимдоказомутвореннясамеетину.Застосування етену й етину. Етен у більшості випадків

використовують у виробництві поліетилену (—CH2—CH

2—)n, для

синтезу етанолу (CH3—CH

2OH), хлороетану (CH

3—CH

2Cl), для

прискорення процесу дозрівання фруктів.Етин є вихідною речовиною для одержання етанолу, оцтової

кислоти (CH3—COOH), синтетичного каучуку, пластмас.

Основні поняття. Ненасичені вуглеводні.

224

Запитання та завдання °1. Яка кратність хімічного зв’язку в молекулах етену (етилену)

та етину (ацетилену)? °2. Які молекулярні, електронні та структурні формули етену

й етину? Чому ці речовини називають ненасиченими вуглеводнями? 3. Які реакції, характерні для етену й етину та їхніх гомологів, нази-

вають реакціями: а) окиснення; б) гідрування; в) галогенування? На-ве діть приклади.

4. Які реакції є якісними на ненасичені вуглеводні гомологічного ряду етену й етину? У чому їхня особливість?

5. Порівняйте відносну густину за воднем та за повітрям: а) етену; б) етину; в) етану. Зробіть висновки.

6. Яка маса карбон(IV) оксиду утвориться в результаті згорання: а) 5,6 л (н. у.) етену; б) 8,4 л (н. у.) етину?

7. Який об’єм водню (н. у.) необхідно витратити для повного гідрування: а) 5 моль етену; б) 8 моль етину?

*8. Яку кількість речовини брому треба витратити для повного галогенування: а) 14 г етену; б) 39 г етину?

*9. Складіть рівняння хімічних реакцій, що відповідають наведеній схемі. Укажіть типи реакцій та умови їхнього перебігу.

1C H22 C H42

2C H62

CO2

43 5

§ 53. Відношення об’ємів газів у хімічних реакціях. Обчислення об’ємних відношень газів за хімічними рівняннями

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакезаконпростихоб’ємнихвідношень;•якпроводитирозрахункизахімічнимирівняннями,якщореагентитапро-дуктиреакціїєгазоподібнимиречовинами.

Зразок будь-якої речовини характеризують не тільки такими кількісними показниками, як маса, кількість речовини, але й її об’ємом. Особливо важливим є вимірювання об’ємів для газів.

У результаті численних досліджень газоподібних речовин фран цузький учений Ж. Л. Гей-Люссак вивів закон об’ємних відношень:об’єми газів, що реагують між собою за незмінних температури й тиску, відносяться один до одного, а також до об’ємів утворених газоподібних продуктів як невеликі цілі числа.

225

Наприклад, для реакції:

C2H

2 (г) + 2H

2 (г) → C

2H

6 (г)

об’єми реагуючих між собою та утвореного газів відносять один до одного як 1 : 2 : 1.

Розглянемо, як здійснювати розрахунки, використовуючи цей закон.

Приклади розв’язування задач

Приклад 1. Обчисліть об’єм продукту реакції, якщо нітроген(II) оксид прореагував з киснем об’ємом 5 л (н. у.). У яких відношеннях будуть об’єми реагуючих між собою речовин і продукту реакції?

Дано:V(O

2) = 5 л (н. у.)

Розв’язання1. Складаємо рівняння реакції:

2NO (г) + O2 (г) = 2NO

2 (г)

2. Над формулами речовин за пи су-ємо дані з умови задачі про об’є ми газоподібних речовин, а під фор му-

V(NO2) — ?

V(NO) : V(O2) : V(NO

2) — ?

лами — стехіометричні спів відношення з урахуванням моляр-них об’ємів:

2NO + O = 2NO2 222 4

5

2 22 4, ,л

л

л

л

⋅

x

3. Визначаємо об’єм газоподібного продукту реакції з пропорції:

V x(NO )2

2= = =

⋅5 22 4

22 410

л л

лл

æ ,

,.

4. Обчислюємо об’єм нітроген(II) оксиду, скориставшись пропор-цією:

2NO + O = 2NO2 22 22 4 22 4

5

⋅ , ,л

л

л

лy

V y(NO)2

= = =⋅5 22 4

22 410

л л

лл

æ ,

,.

Таким чином, відношення об’ємів реагуючих між собою газів і газоподібного продукту реакції становить:

V(NO) : V(O2) : V(NO

2) = 10 л : 5 л : 10 л = 2 : 1 : 2.

Відповідь: V(NO) : V(O2) : V(NO

2) = 2 : 1 : 2.

226

Приклад 2. Який об’єм (н. у.) водню вступить у реакцію гідру-вання етену, якщо об’єм утвореного при цьому етану становить 28 л? У яких ввідношеннях будуть об’єми реагуючих між собою речовин і продукту реакції?

Дано:V(C

2H

6) = 28 л (н. у.)

Розв’язання1. Складаємо рівняння реакції:

C2H

4 (г) + Н

2 (г) → C

2H

6 (г)

2. Записуємо дані з умови задачі:

C H H C H2 4 2 2 622 4 22 4

28

, ,л

л

л

лx

+ →

V(H2) — ?

V(C2H

4) — ?

V(C2H

4) : V(H

2) : V(C

2H

6) — ?

3. Визначаємо з пропорції, який об’єм етену вступив у реакцію:

V x( ) .,

,C H42

28 22 4

22 428= = =

л л

лл

æ

4. Обчислюємо об’єм водню, що вступив у реакцію:

C H H C H2 4 2 2 6+ →22 4 22 4

28

, ,л

л

л

лy

V y( ) .,

,H2

28 22 4

22 428= = =

æ л

лл

Таким чином, відношення об’ємів реагуючих між собою газів етену й водню та утвореного при цьому етану становить:

V(C2Н

4) : V(H

2) : V(C

2Н

6) = 28 л : 28 л : 28 л = 1 : 1 : 1.

Відповідь: V(C2Н

4) : V(H

2) : V(C

2Н

6) = 1 : 1 : 1.

Основні поняття. Закон об’ємних відношень.

Жозеф Луї Гей-Люссак(1778–1850)

Французький хімік і фізик, відкрив газові закони, названі його ім’ям. Відкрив Бор, роз робив способи добування калію та нат -рію, отримав синильну кислоту, удо ско на лив методи елементного й об’ємного хі міч ного аналізу, технологію виробництва суль фатної кислоти. Побудував перші діаграми роз чин-нос ті. Ім’я Гей-Люсака внесено до переліку най видат-ніших учених Франції.

227

Запитання та завдання 1. У яких об’ємних відношеннях та об’ємах (н. у.) необхідно

взяти кисень та метан, щоб спалити 64 г метана? 2. У яких об’ємних відношеннях та об’ємах (н. у.) необхідно

взяти метан і хлор, щоб одержати 50,5 г хлорометану? 3. Складіть рівняння реакції: а) CH

4 + O

2 → CO

2 + H

2O б) C

2H

2 + H

2 → C

2H

4

C2H

4 + O

2 → CO

2 + H

2O C

2H

2 + 2H

2 → C

2H

6

Визначте відношення об’ємів реагуючих газів один до одного, а та-кож до об’ємів утворених газоподібних продуктів реакції.

4. Повному згорянню етину C2H

2 відповідає схема реакції:

C2H

2 + O

2 → CO

2 + H

2O

Перетворіть схему на рівняння реакції. Визначте співвідношення об’ємів (н. у.) реагентів і продуктів реакції, якщо в реакцію вступило: а) 13 г етину; б) 0,25 моль етину; в) 56 л (н. у.) етину.

§ 54. Поняття про полімери. Поліетилен

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•чиммономервідрізняєтьсявідполімера;•щотакереакціяполімеризації;•яквластивостіполімеразалежатьвідкількостіелементарнихланок,зякихвінскладається.

Молекули ненасичених вуглеводнів, наприклад етену, під дією каталізаторів здатні сполучатися одна з одною з утворенням довгого ланцюга з атомів Карбону:

...CH2=CH

2 + CH

2=CH

2 + CH

2=CH

2 + CH

2=CH

2 + ... →

→ —CH2—CH

2—CH

2—CH

2—CH

2—CH

2—CH

2—CH

2—...

Коротше рівняння цієї реакції можна подати в такому вигляді:

Ìîíîìåð Ïîë³ìåðåòåí (åòèëåí) ïîë³åòèëåí

— ———CH2nCH2 ( CH2 CH2—)n

Продукт цієї реакції називають полімером (від грец. po lys — «численний»). Саму ж реакцію послідовного сполучення молекул мономерів — вихідних речовин у більші за розміром молекули полімерів (рис. 47) називають реакцією полімеризації.

Рис. 47. Кулестрижнева модель молекули поліетилену

228

Групу атомів, яка багато разів повторюється, називають струк­турною (елементарною) ланкою. У поліетилені такою ланкою є група атомів (—CH

2—CH

2—). Із рівняння реакції видно, що

мономер відрізняється від структурної ланки кількістю хімічних зв’яз ків між атомами Карбону.

У цьому рівнянні n — ступінь полімеризації, змінна величина. Якщо n = 20, то в результаті реакції полімеризації утворюєть-ся рідкий полімер, його використовують як змащувальну рідину. Якщо ж n = 1500–2000, то утворюється твердий пластичний ма-теріал, який використовують для виготовлення плівки, посуду, еластичних труб. При значенні n = 5000–6000 отримують твердий жорсткий матеріал для виготовлення литих виробів, жорстких труб, міцних ниток.

Більшість полімерів відрізняються від низькомолекулярних речо-вин тим, що вони не мають строго визначеної молекулярної маси. Тому для них використовують поняття середньої молекулярної маси.

Демонстраційний дослідВиявленнявластивостейполіетилену•Відношенняполіетиленудокислот,лугів,окисниківУтрипробіркиналиваютьрозчинисульфатноїкислоти,натрійгідроксиду,калійперманганатуоб’ємомпо1–2мл.Укожнуізцихпробірокпоміщаютьпо 1–2 гранули або кількашматочків плівки поліетилену. Уміст пробірокперемішують.Щоспостерігаєте?Змінзполіетиленомневідбувається.Отже,поліетиленстійкийпротидіїрозчинівкислотілугівтаокисників(калійперманганату).•ВідношеннядонагріванняЗа допомогоющипцівшматочок поліетиленової пластинки злегка нагрі-ваютьуполум’їспиртівки.Поліетиленрозм’якшується,апотімплавиться.Надерев’янійдощечціщипцямизмінюютьформуполіетиленовоїпластинкитаохолоджуютьїї.Поліетиленпісляохолодженнянезмінюєнаданоїйомуформи.Такувластивістьполімерівназиваютьтермопластичністю.

Лабораторний дослід 15Ознайомлення зі зразками виробів із поліетиленуПерш за все ознайомтесь із зовнішнім виглядом зразків поліетилену,виданихучителем.Цеможутьбутибілізразкизперламутровимвідтінком,жовтуватіабосвітлокольорові.Потім зверніть увагу, у якому стані знаходяться ці зразки. У твердому,у  вигляді тонких еластичних листів? Чижирні вони на дотик та прозорів тонкихплівках?Далі визначте здатність зразка горіти на повітрі. Яким полум’ямсупроводжуєтьсягоріння:слабкимсинюватимчияскравимбезбарвним?Чивідбуваєтьсяприцьомуводночасплавленнязразка?Чиє запах,щонагадуєзапахрозплавленогопарафіну, тобтотакий,щовиникаєпідчас

229

горіння свічки? Важливо також виявити, чи швидко розм’якшується таплавиться зразок поліетилену в нагрітому стані перед загоранням, атакож чи розкладається, утворюючи запах розплавленого парафіну. Усіспостереженнязапишітьузошит.

Основні поняття. Реакція полімеризації. Мономер. Полімер. Структурна ланка. Ступінь полімеризації.

Запитання та завдання 1. Які речовини називають полімерами? Які їхні характерні

властивості? °2. Що таке мономер, полімер, струк турна ланка? °3. Які реакції називають реакціями полімеризації? 4. У процесі реакції полімеризації утворюються макромолекули різної

довжини. Якою величиною її характеризують та яких значень вона може набувати?

5. Який із вуглеводнів — етан, етен чи етин — здатен вступати в реакції полімеризації?

6. Етилен (H2C=CH

2) і поліетилен (—CH

2—CH

2—)n мають однаковий

якісний і кількісний склад: вони складаються із атомів Карбону та Гідрогену, в обох речовинах на один атом Карбону припадає два атоми Гідрогену. У чому ж полягає відмінність між ними?

*7. Чому за хімічними властивостями (відповідно до кількості хімічних зв’язків між атомами Карбону) поліетилен має бути більш схожим на алкани, хоча в реакції полімеризації вихідною речовиною виступає ненасичений вуглеводень етен?

8. Під дією каталізаторів молекули етену сполучаються одна з одною. Як називають продукт такої взаємодії?

9. Яка з речовин — метан, етан чи етен — спроможна вступати в реак-цію полімеризації? Чому?

§ 55. Спирти: метанол, етанол, гліцерол

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакеспиртитаякийелемент,крімКарбонутаГідрогену,входитьдоїхньо-госкладу;•якіреакціїхарактернідляспиртів;•яквпливаютьспиртинаорганізмлюдини.

Склад метанолу, етанолу, гліцеролу. Це органічні сполуки, до складу яких, крім атомів Карбону та Гідрогену, входять атоми Оксигену. Серед цих сполук найпростішою будовою вирізняються спирти. Їхній склад подано в таблиці 11.

230

Таблиця 11Молекулярні, електронні та структурні формули спиртів

Фор

-м

ула

Метанол Етанол Гліцерол

мол

еку-

лярна

CH3OH C

2H

5OH CH

2OH—CHOH—CH

2OH

елек

т рон

на

H C

H

O

H

H H

H

C C

H

O

H H

HH H

H

C

O

H

H

C

O

H

H

C

O

H

струк

турна H

CH O H

H

—— —

——

H

CH O H

H

—— —

——

H

C

H

—

——

HH C C C

H H H

O

H

O

H

O

H

Спирти — це похідні вуглеводнів, у молекулах яких один або декілька атомів Гідрогену заміщені на гідроксигрупу.

Гідроксигрупа —OH є функціональною групою спиртів, яка визначає їхні властивості.

Загальна формула спиртів — R(OH)n. Якщо у формулі n = 1,

то такі спирти називають одноатомними, наприклад C2H

5OH —

етанол. Значенню n = 2 відповідають двоатомні спирти, на при-к лад CH

2OH—CH

2OH — етиленгліколь, або етандіол-1,2, а зна-

ченню n = 3 — триатомні спирти, наприклад гліцерол, або про па нтріол-1,3 CH

2OH—CH(OH)—CH

2OH (рис. 48).

à á â

Рис. 48. Кулестрижневі моделі молекул: а — метанолу; б — етанолу; в — гліцеролу

Фізичні властивості. Метанол CH3OH — безбарвна рідина з тем-

пературою плавлення –97,9 °С та температурою кипіння 64,5 °С, густиною 0,7917 г/мл, легко змішується з водою в будь-якому співвідношенні.

231

Етанол CH3—CH

2OH — безбарвна рідина з t

пл = –114,15 °С

та tкип

= 78,4 °С, густиною 0,7935 г/мл, розчиняється у воді й органічних розчинниках.

Гліцерол HOCH2CH(OH)CH

2OH — безбарвна масляниста рідина

без запаху, має солодкий смак, tпл = –17,9 °С, t

кип = 290 °С, густина

1,2604 г/мл, гігроскопічна речовина.Хімічні властивості. У функціональній групі O H хімічний

зв’язок O—H є полярним, атом Гідрогену в ній досить рухливий, тобто здатний заміщуватися.

Отже, спирти можуть виявляти кислотні властивості. Під-твердженням цього є здатність спиртів взаємодіяти з металами, причому найактивніше з лужними:

2CH3OH + 2Na → 2CH

2—ONa + H

2 ↑

2CH3CH

2OH + 2Na → 2CH

3—CH

2—ONa + H

2 ↑

Демонстраційний дослід•ВзаємодіяетанолузнатріємУсухупробіркуналиваютьабсолютний,тобтобезводний,етанолоб’ємом1–2мл.Задопомогоюлакмусовогопапірцяпереконуються,щорозчинмаєнейтральнуреакцію.Очищаютьвідоксидушматочокметалічногонатріюзавбільшкизгорошину,просушуютьфільтрувальнимпаперомтаобережнозанурюютьупробіркуз етанолом.Спостерігаютьповільневиділеннябульбашокгазу,отже,спиртвзаємодієзнатрієм.Доотворупробіркипідносятьзапаленийсірник:газзгораєзтихимзвуком,щонагадуєлегкийхлопок,—урезультатіреакціївиділяєтьсяводень:

2CH3—CH

2—OH + 2Na → 2CH

3—CH

2—ONa + H

2 ↑

натрійетанолят

По закінченні реакції в пробірку додають 1–2 краплини розчинуфенол-фталеїну. В абсолютному спирті змін не спостерігається. Таким чином,середовищезалишаєтьсянейтральним.•ВзаємодіягліцеролузнатріємУпробіркуналиваютьгліцеролоб’ємом2–3млівертикальнозакріплюютьїї в лапці штатива. Очищають від оксидів шматочок металічного натріюзавбільшкиз горошину,висушуютьфільтрувальнимпаперомтаобереж-нозанурюютьупробіркузгліцеролом.Спостерігаютьдужеповільнувзає-модію.Пробіркузлегканагріваютьдопоявинезначноїіскоркиміжгліцеро-лом і натрієм. Потім реакція відбувається енергійніше з  обвуглюваннямгліцеролу:

CH2—OH

CH2—OH

2CH—OH + 6Na →

CH2—ONa

CH2—ONa

2CH—ONa + 3H2↑

232

Зі збільшенням кількості гідроксигруп у молекулах спиртів рухливість їхніх атомів Гідрогену зростає. Тому, на відміну від одноатомних спиртів, багатоатомні спирти, зокрема гліцерол, ви-, ви-являють сильніші кислотні властивості: вони здатні взаємодіяти навіть з досить слабкою основою купрум(ІІ) гідроксидом:

êóïðóì(II) ãë³öåðàò

CH OH

OH2CH

2

CH OH2

+HO

HOCu → O

OH O

HO + 2H O2

—

——

—

—

—

—

CH CH

CH CH

2 2

CH —OH2 CHHO— 2

—

—

—

—

—

—

Cu—

—

Метанол, етанол та гліцерол вступають у реакції повного окиснення, унаслідок яких утворюються карбон(IV) оксид і вода:

2CH3OH + 3O

2 → 2CO

2 ↑ + 4H

2O

C2H

5OH + 3O

2 → 2CO

2 ↑ + 3H

2O

2CH2OH—CHOH—CH

2OH + 7O

2 → 6CO

2 ↑ + 8H

2O

Лабораторний дослід 16Досліди з гліцеролом • Розчинність гліцеролу у воді

Налийте в пробірку гліцерол об’ємом 1–2 мл і додайте до нього водуоб’ємом2–3мл,підфарбованучорнилом.Утворенусумішзбовтайте.Щоспостерігаєте?Якщоутворюєтьсяодноріднезабарвлення,цесвідчитьпроздатністьгліцеролурозчинятисяуводі.

•Взаємодіягліцеролузкупрум(ІІ)гідроксидом

Налийтевпробіркурозчинкупрум(ІІ)сульфатуоб’ємом0,5млтадолийтенатрій гідроксид об’ємом 2  мл. Що спостерігаєте? Утворюється осадкупрум(ІІ)гідроксидублакитногокольору.Додайтедоосадугліцеролоб’є-мом 2 мл, енергійно збовтайте утворену суміш до повного розчиненняосаду. Зверніть увагу на колір і характер забарвлення розчину (блідий,яскравий).Запишітьрівнянняреакції.Цяреакціяхарактернадляодно-тадвоатомнихспиртівчитількидлятриатомногоспирту?

Застосування метанолу, етанолу, гліцеролу. Метанол засто-совують у виробництві формальдегіду, використовують як добавку до моторного палива для підвищення його октанового числа.

Етанол використовують для одержання синтетичного каучуку, барвників, оцтової кислоти, бездимного пороху, у виробництві пласт мас, як розчинник під час виготовляння одеколонів, лі ків, як паливо у двигунах внутрішнього згорання; у медичній прак-ти ці — як зовнішній антисептичний засіб для дезінфекції рук та хі рур гіч них інструментів.

233

Гліцерол використовують у виробництві вибухових речовин, як пом’якшувач тканин, шкіри, паперу, компонент мастил, кремів для взуття, мила, клеїв, у косметиці, кондитерських виробах.

Отруйність спиртів, їх згубна дія на організм людини. Ме та­нол — дуже отруйна речовина, через те що в організмі людини він окиснюється до мурашиної кислоти. Уживання навіть невеликої кількості метанолу призводить до втрати зору, а потім до смерті.

Етанол швидко всмоктується в кров і збуджувально діє на організм людини, а також сильно уражає центральну нервову систему. Тому вживання етанолу у великих дозах може призвести до смерті.

Гліцерол — гігроскопічна, солодка на смак рідина, неотруйна, легко засвоюється організмом.

Основні поняття. Функціональна група. Одноатомні, двоатомні, триатомні спирти.

Запитання та завдання

°1. Які органічні сполуки називають спиртами? Наведіть при-клади.

°2. Яка загальна формула спиртів? Що таке одноатомні, двоатомні та триатомні спирти?

°3. Якими структурними, електронними та молекулярними формулами можна виразити склад метанолу, етанолу та гліцеролу?

4. Як відрізняються за складом метанол, етанол і гліцерол від метану, етану і пропану? Атомом якого елемента у своєму складі вони відрізняються?

°5. Які фізичні властивості: а) метанолу; б) етанолу; в) гліцеролу?

6. Який об’єм карбон(IV) оксиду (н. у.) утвориться в результаті згоряння 46 г етанолу?

7. Яка маса гліцеролу вступить у реакцію з купрум(ІІ) гідроксидом ма-(ІІ) гідроксидом ма-сою 19,6 г?

8. Де застосовуються: а) метанол; б) етанол; в) гліцерол? 9. Чому метанол належить до дуже отруйних речовин? 10. Який з одноатомних спиртів викликає сильне ураження центральної

нервової системи людини? 11. Чому спирти здатні виявляти кислотні властивості? 12. Як збільшення кількості функціональних груп —OH впливає на

кислотні властивості спиртів? *13. З якими із наведених речовин — киснем, водою, воднем, металічним

натрієм — взаємодіятиме етанол? Складіть рівняння можливих ре-ак цій.

*14. У двох пробірках без етикеток містяться дві рідини — етанол і гліцерол. Як їх визначити?

234

§ 56. Карбонові кислоти: метанова й етанова, їхні молекулярні та структурні формули і властивості

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакенасиченікарбоновікислоти;•чомуїхнірозчинивиявляютьсильнішікислотнівластивості,ніжспирти;•якіхімічнівластивостікарбоновихкислотєнайважливішими;•якізнасиченихкарбоновихкислотмаютьнайбільшезначення.

Склад кислот. Метанову (мурашину) та етанову (оцтову) кислоти відносять до насичених одноосновних карбонових кислот.

Карбонові кислоти — органічні речовини, до складу молекул яких входить одна карбоксильна група (—COOH), що cполучена з атомом Гідрогену (у випадку метанової кислоти) або з вуглевод-невим радикалом.

H

HCOOHÌîëåêóëÿðíà ôîðìóëà

Ñòðóêòóðíà ôîðìóëàO

OH——— —C

CH3COOH

O

OH———C

H

CH

H

——

——

ìåòàíîâàêèñëîòà

åòàíîâàêèñëîòà

До складу етанової кислоти входить радикал —CH3 (рис. 49).

à á

Рис. 49. Кулестрижневі моделі молекул карбонових кислот: а — метанової; б — етанової

Фізичні властивості. Метанова та етанова кислоти — безбарвні рідини з характерним різким запахом, які змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях. Температури кипіння карбонових кислот вищі, ніж відповідних спиртів з такою самою кількістю атомів Карбону.

У карбоксильній групі O

O———C—

H— карбонільна група OC

————

та гідроксильна група —ОН взаємно впливають одна на одну.

У результаті властивості гідроксигрупи в кис лотах і спир тах

235

неоднакові. Завдяки впливу карбонільної групи ато мів на атом Оксигену гідроксигрупи відбувається сильне зміщен ня спіль ної електронної пари зв’язку до атома Оксигену. Тому міц ність хі-мічного зв’язку між атомами Гідрогену та Оксигену в гід рокси-групі кислоти значно послаблюється. Унаслідок цього у вод-них розчинах карбонові кислоти виявляють сильніші кислот ні влас тивості, ніж спирти. До того ж між молекулами кислот виникають водневі зв’язки, що від по відають за підвищення температури кипіння.

На міцність цього зв’язку впливає також вуглеводневий ради-кал —C

nH

m: що менше значення n, то більша сила кислоти. Через

це метанова кислота є сильнішою, ніж її гомологи, на приклад, етанова CH

3COOH.

Хімічні властивості. Розчини карбонових кислот подібно до розчинів неорганічних кислот забарвлюють лакмус у червоний колір, проводять електричний струм через здатність утворювати йони внаслідок електролітичної дисоціації:

HCOOH HCOO Hметановакислота

метаноат�іон

� − ++

CH COOH CH COO H3 3етановакислота

етаноат�іон

� − ++

Серед карбонових кислот найбільше дисоціює метанова кислота, але й вона є лише кислотою середньої сили, інші карбонові кис-лоти відносять до слабких через вплив вуглеводневого радикалу.

Лабораторний дослід 17

Дія етанової кислоти на індикатори

У три пробірки наливають розчин етанової кислоти. У першу пробіркудодають розчин фенолфталеїну, у другу — метилоранжу, у третю —лакмусу.Щоспостерігаєте?Упробірцізякиміндикаторомневідбуваєтьсязмінайогозабарвлення?Уякийколірзабарвлюютьсярозчиниз іншимиіндикаторами?

Найважливішою хімічною властивістю карбонових кислот є їх-ня здатність взаємодіяти:

• з металами, які у витискувальному ряду стоять до водню:

2CH3COOH + Ca → (CH

3COO)

2Ca + H

2↑

• з основними оксидами:

2CH3COOH + MgO → (CH

3COO)

2Mg + H

2O

• з лугами:

CH3COOH + NaOH → CH

3COONa + H

2O

236

• зі спиртами з утворенням речовин класу естерів, тому подібний тип реакцій називають реакціями естерифікації:

H O+ —C

åòèëåòàíîàò

O

OH————CH3 C H52

CO

O————CH3

—C H52

+ H O2

H O+ —C

ìåòèëìåòàíîàò

O

OH————H C

O

O————

—+ H O2CH3

HCH3

Лабораторний дослід 18Взаємодіяетановоїкислотизметалами,основними оксидами, лугами, солями

Учотирипробіркиналийтерозчинетановоїкислотиоб’ємом2мл.У пер-шупробіркупокладіть2 гранулицинку,удругу—трохикальційоксиду,у третю —трішечкинатрійкарбонату,учетверту—1–2краплинирозчинуметилоранжу.Щоспостерігаєте?Упершійпробірцівідбуваєтьсяповільневиділенняводню.Якийвисновокщодосилиетановоїкислотиможназробитинапідставіцьогодосліду?Удругійпробірціспостерігаєтьсяпоступовезменшеннякількостікальційоксиду.У третій пробірці відбувається не тільки поступове зменшення кількостінатрійкарбонату,айвиділеннягазу.Якщодоотворуцієїпробіркипіднестизапаленийсірник,вінзгасає.Якийвисновокщодосилиетановоїкислотиможна зробити за результатами цього досліду? Чи спостерігатиметьсятакийсамийефект,якщозамістьнатрійкарбонатувзятинатрійсульфат?У четвертій розчин набуває червоного забарвлення. По краплинах до-давайте розчин натрій гідроксиду, поки розчин не набуде жовтогозабарвлення.Запишітьузошитрезультати,висновкитарівняннявідповіднихреакцій.

Поняття про вищі (насичені й ненасичені) карбонові кислоти. До вищих насичених карбонових кислот належать такі, у яких кількість атомів Карбону у вуглеводневому радикалі — C

15 та

вища. Найбільше значення серед них має стеаринова кислота C

17H

35COOH. Це тверда речовина білого кольору, нерозчинна у воді.

Її одержують з парафіну й використовують для виготовлення свічок. Стеариноати — її солі (натрій стеариноат C

17H

35COONa) —

є основ ним компонентом твердого мила, оскільки вони виявляють сильну мийну дію. Калієву сіль цієї кислоти використовують як рідке мило.

Однією з найважливіших насичених монокарбонових кислот (що містять лише одну карбоксильну групу —COOH) є пальмітинова кислота C

15H

31COOH. Це речовина білого кольору, нерозчинна

у воді. Вона входить до складу рослинних і тваринних жирів.

237

Натрієві та калієві солі цієї кислоти використовують відповідно як тверді та рідкі мила.

Із представників вищих ненасичених кислот слід відзначити олеїнову кислоту C

17H

33COOH (або СН

3(СН

2)7СН=СН(СН

2)7СООН),

яка входить до складу жирів. Це масляниста рідина, легша за воду, безбарвна, нерозчинна у воді, розчинна в органічних роз-чин ни ках. Вона відома у вигляді двох ізомерів, один із яких є рі-ди ною, а другий — твердою речовиною. У її складі є тільки один под вій ний зв’язок: CH

3—(CH

2)7—CH=CH—(CH

2)7—COOH.

Олеїнову кислоту використовують у виробництві каучуку, ліків, лаків і фарб.

Основні поняття. Насичені та ненасичені одноосновні карбонові кислоти. Функціональні карбоксильна та карбонільна групи.

Запитання та завдання °1. Метанову та етанову кислоти відносять до насичених чи

ненасичених кислот? Чому? °2. Наведіть молекулярні, структурні та електронні формули

метанової та етанової кислот. °3. Які фізичні властивості мурашиної та оцтової кислот? Температури

кипіння карбонових кислот вищі чи нижчі від температур кипіння спиртів з такою самою кількістю атомів Карбону? Чому?

4. Складіть рівняння хімічної реакції метанової кислоти: а) з магнієм; б) з калій гідроксидом; б) з метанолом. Дайте назви утвореним сполукам цієї кислоти.

5. До яких кислот — сильних, середньої сили чи слабких — відносять карбонові кислоти та їхні гомологи, крім метанової кислоти?

6. Які хімічні властивості карбонових кислот відносять до найваж-ливіших?

7. Як називають сполуки, утворені взаємодією: а) метанової кислоти з етанолом; б) етанової кислоти з метанолом? Які вони мають назви?

8. Які з вищих карбонових кислот мають найбільше значення? Які їхні молекулярні формули? Де їх використовують?

9. Чому у водних розчинах кислоти виявляють сильніші кислотні властивості, ніж спирти?

10. Як сила кислот пов’язана зі значенням числа n у вуглеводневому радикалі C

nH

m?

*11. Чи з усіма вказаними металами — Fe, Zn, Cu, Ag — будуть взаємо-діяти карбонові кислоти? Чому?

*12. Які з вищих монокарбонових кислот є насиченими, а які — нена-сиченими? Які їхні молекулярні формули та фізичні властивості?

238

§ 57. Жири: склад, утворення, гідроліз і гідрування, біологічне значення

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакежири;•якіхімічнівластивостіжирівнайважливіші;•якезначеннямаютьжиридляорганізмулюдини.

Жири — це органічні речовини, утворені вищими моно кар бо но-ви ми кислотами та триатомним спиртом гліцеролом.

Склад жирів можна подати у вигляді такої загальної формули:

C CO

R′—C

——

O—CO—

C O CO

O R′′,—

R—— —

— —

H 2

H 2

H

де R, ′R і ′′R — вуглеводневі радикали насичених або ненаси- або ненаси-чених кислот. Насамперед це радикали насичених стеаринової C

17H

35COOH та пальмітинової C

15H

33COOH кислот і радикал

ненасиченої олеїнової кислоти C17H

33COOH. Це одноосновні кис-

лоти (оскільки містять лише одну карбоксильну групу), а от же, і монокарбонові.

Утворення жирів можна описати таким рівнянням реакції між гліцеролом та стеариновою, пальмітиновою чи олеїновою кислотою:

+ 3H O2—O

O

O

—

—

+

O

C

—C OH

C OH

OH

—

—

H 2

H 2

H

C

HO — C—

HO C

HO —

——

—

C H3517

C H3115

C H3317

O

O

O——

C

—C—

C

—

——

—

C H3517

C H3115

C H3317

O

——

——

——

——

O——C

C

CH 2

H 2

H

α

β

α′

Щоб дати назву будь-якому жиру, положення кислотних

залишків (O

——C R— — , де R — вуглеводневий радикал, наприклад C

17H

35) умовно позначають буквами грецького алфавіту α, β, ′α :

α-стеарино-β-пальмітоолеат.Фізичні властивості. Жири бувають твердими та рідкими. Усі

вони легші за воду і, як правило, не розчиняються в ній, але здатні утворювати з водою емульсії.

Температуру плавлення жирів неможливо чітко визначити, через те що вона залежить від природи залишків карбонових кислот, які входять до складу жирів: що вищі їхні відносні молекулярні маси, то вища температура плавлення.

239

Хімічні властивості. Найважливішою хімічною властивістю жирів є їхня здатність зазнавати гідролізу, тобто вступати в ре-акцію з водою. Цю реакцію проводять за умови нагрівання та наявності каталізатора, як правило, магній, цинк або кальцій оксиду. У загальному випадку рівняння цієї реакції можна по-. У загальному випадку рівняння цієї реакції можна по-дати в такому вигляді:

3R CO

OH————

êàðáîíîâàêèñëîòàãë³öåðîë

êàòàë³çàòîð

H

HO—H

HO H

HO

—

—C CO

—C

——

O—CO

C O CO

O

— —

— —

H 2

H 2

H —

—

—

R

R

R

+ +—

C

C

——

OH

C OH

OH

—

—

H 2

H 2

H

У реакцію гідрування, або гідрогенізації (тобто приєднання водню), вступають лише жири, утворені залишками вищих не на-сичених монокарбонових кислот:

C CO

—C

——

O—CO

C O CO

O

— —

— —

H 2

H 2

H —

—

— C H3317

C H3317

C H3317 C CO

—C—

—O—CO

C O CO

O

— —

— —

H 2

H 2

H —

—

—

+ 3H 2

C H3517

C H3517

C H3517

òðèîëåàò òðèñòåàðàò

На цій реакції ґрунтується спосіб перетворення рідких жирів на тверді, наприклад у промисловому виробництві маргарину.

Біологічне значення жирів. У природі жири містяться в м’ясі, рибі, молочних продуктах, насінні, плодах (рис. 50).

ÑâèíèíàÑèð

Ñâèíÿ÷åñàëî

Ñàðäåëüêè

31 ã 60 ã 32 ã

93 ã

Âîëîñüê³ãîð³õè

Êîâáàñà

Âåðøêîâåìàñëî

Øîêîëàä

50 ã

64 ã 35 ã 82 ã

Рис. 50. Уміст жирів у харчових продуктах, узятих масою 100 г

240

Жири є одним з основних харчових продуктів. За добу людина має споживати в середньому 65 г жирів. Це пов’язано з тим, що по рів-ня но з вуглеводами та білками жири характеризуються найбільшим запасом енергії. У результаті окиснення 1 г жиру організм людини отримує приблизно 40 кДж енергії. Крім того, жири є гарними роз-чинниками вітамінів — біологічно активних речовин.

В організмі людини приблизно 15 % від загальної маси припадає на жири.

Приклади розв’язування задачПриклад 1. Яку масу гліцеролу можна одержати з 222,5 г

жиру (тристеарат) в результаті його гідролізу?

Дано:m(тристеарату) = 222,5 г

Розв’язання1. Записуємо рівняння хі міч ної реак ції:m(гліцеролу) — ?

CO

—

——

O—CO

O CO

O

— —

— —

ÑH 2

—

—

— C H3517

C H3517

C H3517ÑH 2

ÑH 3H O+ 2 3C H3517—

——

OH

OH

OH

—

—

ÑH 2

ÑH 2

ÑH + COOH

M = 890 ã

222,5 ã x ã

M = 92 ã2. Обчислюємо масу гліцеролу:

mM m

M( )

( ) ( )

( )

,гліцеролу

гліцеролу жиру

жиру

г г

г= = =

⋅ ⋅92 222 5

89023 гг.

Відповідь: 23 г.Приклад 2. Який об’єм водню (н. у.) треба витратити на повне

гідрування триолеату, щоб одержати 102,8 г тристеарату?

Дано:m(тристеарату) = = 102,8 г

Розв’язання1. Записуємо рівняння реакції гідрування три оле ату та наводимо дані з умови задачі для скла дання про порції, з якої визначимо потрібний об’єм вод ню.

V(H2) — ?

CO

—

——

O—CO

O CO

O

— —

— —

ÑH 2

—

—

— C H3317

C H3317

C H3317ÑH 2

ÑH 3H + 2

3 ∙ 22,4 ë 884 ã

õ ë

CO

——

—CO

CO—

—

ÑH 2

—

—

— C H3517

C H3517

C H3517ÑH 2

ÑH

102,8 ã

241

2. Обчислюємо об’єм водню (н. у.):

Vm V

M

m( )( )( )

( )

( )HH .

223

= =тристеарату

тристеарату

н. уæ æ

= =102 8 3 22 4

8847 8

, ,, .

г л

гл

æ æ

Відповідь: 7,8 л.

Основні поняття. Жири. Насичені та ненасичені монокарбонові кислоти. Гідроліз. Гідрування.

Для допитливихЖири, енергія та харчуванняЖири разом із білками та вуглеводами складають основухарчуваннялюдини.Вони—найефективнішеджерелоенергії.Один грам жирів у результаті повного окиснення в клітинахорганізму дає приблизно 40 кДж енергії. Це удвічі більше, ніж можнаодержатиз білківабовуглеводів.Дляпорівняння:згорання1гбензинудає42кДж,1 гкам’яноговугілля—31кДж,1гсухоїдеревини—15 кДж.Такимчином,жирналежитьдовисококалорійного«палива».Воновитрачаєтьсяпереважнодляпідтриманнянормальноїтемпературинашоготіла,а такожнафункціюванням’язів.Навітьколилюдинаспить,їйнапокриттяенерге-тичнихвитраткожнугодинунеобхідно350кДженергії.Жирнаїжаздавнаасоціюваласязбагатствоміблагополуччям.Насеред-ньовічнихбанкетахнайважливішоюстравоюбуложирнем’ясо.Утічасиситиминазивалиугодованих,здоровихлюдей,атакожрясні,плодючіполяталуки.Минув час, і вподобання змінилися: у ХХІ столітті основною ознакоюраціональногохарчуваннямаєбутиздоров'ялюдини.

Запитання та завдання °1. Які сполуки називають жирами? Якою загальною формулою

можна описати їхній склад? °2. Якими формулами можна виразити склад вищих

карбонових кислот: пальмітинової, олеїнової, стеаринової? Які з них є насиченими (алкановими), а які — ненасиченими (алкеновими) монокарбоновими кислотами?

°3. У яких агрегатних станах можуть перебувати жири? °4. Чи розчиняються жири у воді? Вони легші чи важчі за воду? 5. За яких умов відбувається гідроліз? Як іще називають цей процес?

Які продукти внаслідок нього утворюються? 6. Яку реакцію називають гідруванням жирів? Чи всі види жирів здатні

вступати в цю реакцію? 7. Яка реакція лежить в основі перетворення рідких жирів на тверді?

242

8. Де в природі трапляються жири? 9. Яка добова доза споживання жирів людиною? Чому потрібно вживати

жири? *10. Від чого залежить температура плавлення жирів? Із наведених фор-? Із наведених фор-

мул жирів визначте жир з найвищою і найнижчою температурами плавлення та дайте їм назви:

C CO

—C

——

O—CO

C O CO

O

— —

— —

H 2

H 2

H —

—

— C H3517

C H3517

C H3317 C

—C

——

O—CO

C O CO

O

— —

— —

H 2

H 2

H —

—

—C H3517

C H3317

C H3317CO C CO

—C

——

O—CO

C O CO

O

— —

— —

H 2

H 2

H —

—

— C H3517

C H3317

C H3115

à) á) â)

*11. Який об’єм водню (н. у.) треба витратити на повне гідрування 1,5 моль триолеату?

*12. Яка маса гліцеролу утвориться в результаті гідролізу 0,5 моль тристеарату?

13. Складіть молекулярну формулу ′α -пальмітодистеарату. 14. Припустимо, що ви з’їли 50 грамів сиру. Яку енергію отримає ваш

організм?

§ 58. Вуглеводи: глюкоза, сахароза, крохмаль, целюлоза

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якоюєзагальнаформулавуглеводів;•якийвуглеводєоднимізголовнихджереленергіївїжілюдини;•яківуглеводиєприроднимиізомерами;•якіреакціїєякіснимидлявиявленняглюкозитакрохмалю.

Склад вуглеводів. Назва «вуглеводи» пов’язана зі складом цих сполук. Так, молекули вуглеводів містять атоми Карбону, Гідрогену й Оксигену, при цьому атоми Гідрогену та Оксигену перебувають у тому самому співвідношенні, що й у молекулі води, тобто 2 : 1.

Загальну формулу вуглеводів подають у вигляді Cm(H

2O)

n.

Вуглеводи поділяють на прості, або моносахариди, та складні, або полісахариди (схема 12).

Схема 12Âóãëåâîäè

Ïðîñò³(ìîíîñàõàðèäè)

ãëþêîçà, ôðóêòîçà

Ñêëàäí³(ïîë³ñàõàðèäè)

ñàõàðîçà, êðîõìàëü, öåëþëîçà

243

Глюкоза. Молекулярна формула глюкози — C6H

12O

6. Вона

міститься в рослинах, а саме в плодах, квітках, листі та корінні. Особливо багато її у винограді, цукрових буряках, солодких фруктах та ягодах. Глюкоза входить до складу меду.

Масова частка глюкози в крові людини становить 0,1 %, але у хво рих на цукровий діабет вона набагато більша.

За участі груп —OH глюкоза взаємодіє з гідроксидами металіч-OH глюкоза взаємодіє з гідроксидами металіч- глюкоза взаємодіє з гідроксидами металіч-них елементів, зокрема з купрум(ІІ) гідроксидом, з утворенням сполуки синього кольору:

2Cu(OH)

H

—

+

êóïðóì(II) ãë³öåðàò

H

—

Cu

+2H O2

O

H———C——CHCH2 —CH—CH

OHOH

——

—CH

OH

—

OHOH——

O

H———C——CCH2 —C —CH

OO

——

—CH

OH

—

OHOH

——

— —

Лабораторний дослід 19Взаємодіяглюкозизкупрум(ІІ)гідроксидомУ пробірку налийте розчин купрум(ІІ) сульфату об’ємом 0,5 мл, додайтерозчин натрій гідроксиду об’ємом 2 мл. Що спостерігаєте? Осад якоїречовини та якого кольору утворюється? Складіть рівняння здійсненоїреакції.До добутого осаду додайте такий самий об’єм розчину глюкози, сумішперемішайте. Що спостерігаєте? Осад розчиняється з утвореннямзабарвленогорозчину.Якийколіррозчину?Якийскладтаназваречовини,щорозчинилася?Перетворення, пов’язані з утворенням та розчиненням осаду, виразітьвідповіднимирівняннямихімічнихреакцій.Якуназвумаєкінцевийпродуктвзаємодії глюкози з купрум(ІІ) гідроксидом? Усі спостереження, назвиречовинзапишітьузошит.

Сахароза — це хімічна назва цукру. Молекулярна формула саха-рози — C

12H

22O

11. Її виділяють із цукрових буряків або цукрової

трос тини. Вона є одним із головних джерел енергії у їжі людини. Са харозу ще називають дисахаридом, через те що в кислотному се-ре довищі під час нагрівання або під дією ферментів, тобто бі о ло-гіч них каталізаторів, відбувається гідроліз із утворенням молекул двох інших речовин — глюкози та фруктози:

C H O H O C H O C H O12 22 11 2 6 12 6 6 12 6+ → +t

глюкоза фруктоза

244

Ці речовини мають однаковий склад, але відрізняються будовою молекул.

Крохмаль. Молекулярна формула крохмалю — (C6H

10O

5)n. Це біла

порошкоподібна речовина, нерозчинна в холодній воді. У гарячій воді крохмаль набухає, утворюючи крохмальний клейстер.

Лабораторний дослід 20ВідношеннякрохмалюдоводиУпробіркушпателемнасиптетрохикрохмалюйзалийтеводоюоб’ємом4–5мл.Задопомогоюскляноїпаличкисумішретельноперемішайте.Віншійпробірцінагрійтедокипінняводуоб’ємом2–3мл.Потімуцюсамупробіркуневеликимипорціямивлийте,перемішуючи,суспензіюкрохмалю.Щоспостерігаєте?Утворюєтьсяколоїднийрозчин(крохмальнийклейстер).Якуназвувінмає?Колоїднийрозчинзберігайтедлявиконаннянаступногодосліду.Усі спостереження, назви отриманих продуктів і хід виконання дослідузапишітьузошит.Крохмаль міститься в рослинах: у картоплі його масова частка

наближається до 20 %; у зернах пшениці та кукурудзи — до 70 %, а найбільша в зернах рису — 80 %. Крохмаль відносять до цінних поживних речовин.

В організмі людини під дією ферментів крохмаль зазнає гідро-лізу з утворенням глюкози:

(C H O H O C H O6 10 5 2 6 12 6)n nкрохмаль глюкоза

+ →n

Молекули крохмалю неоднакові за структурою та розмірами. Молекули лінійної структури (рис. 51, а) складаються з декількох сотен ланок складу C

6H

10O

5. Їхня молекулярна маса становить

кілька сотен тисяч г/моль.

à

á

Рис. 51. Полімерна будова молекули крохмалю: а — лінійна; б — розгалужена

Молекули розгалуженої структури крохмалю (рис. 51, б) скла-даються з декількох тисяч ланок C

6H

10O

5, молекулярна маса яких

становить кілька мільйонів г/моль.

245

Під час взаємодії крохмалю з йодом утворюється речовина синього кольору. Її застосовують як якісну реакцію з метою визначення наявності в речовині як йоду, так і крохмалю.

Целюлоза, яку ще називають кліт-ковиною, — волокниста речо вина, нерозчинна не тільки у воді, а й в органічних розчинниках. Вона подібно до крохмалю, унаслідок повного гідролізу за умови нагрівання або наявності кислот, перетворюється на глюкозу:

(C H O H O C H O6 10 5 2 6 12 6)n nцелюлоза глюкоза

+ →n

Крохмаль і целюлоза — природні ізо мери. На відміну від моле-кул крох ма лю, молекули целюлози не бу ва ють роз га лу же ни ми, вони переп літаються між собою, утворюючи волок на (рис. 52).

Целюлоза входить до складу рослинних клітин, головним чином бавовни та льону. Деревина також містить целюлозу, але лише з масовою часткою 50 %.

Лабораторний дослід 21ВзаємодіякрохмалюзйодомДобутий у попередньому досліді крохмальний клейстер об’ємом 1 млналийтевпробірку.Додайтедоньоговодуоб’ємом1млта1–2краплиниспиртовогорозчинуйоду.Умістпробіркиретельноперемішайтескляноюпаличкою.Розчинзабарвлюється.Уякийколір?Пробіркузотриманимрозчиномзадопомогоютримачанагрійтевполум’їспиртівкидокипіння.Забарвленнярозчинузникає,алепісляохолодженнязновуз’являється.

Біологічне значення й застосування вуглеводів. В організмі лю-ди ни глюкоза розноситься кров’ю по всьому організму та є для ньо го основним джерелом енергії.

Глюкозу застосовують у медицині, кондитерському виробництві, бавовняній промисловості (для обробляння тканин), а також у шкі-ря но му виробництві.

Сахарозу використовують головним чином у харчовій про мис-ловості.

Крохмаль, що міститься в таких харчових продуктах, як кар-топля, хліб, крупи, практично задовольняє потребу людей у вуг-леводах. Його застосовують у виробництві антибіотиків, вітамінів, у медицині.

Рис. 52. Волокна целю-лози під мікроскопом

246

Целюлозу у вигляді деревини використовують як будівельний матеріал, у складі волокнистих матеріалів — для виготовляння канатів, тканин, ниток. Із целюлози виготовляють папір, вату, етанол, штучні волокна та шкіри, пластмаси, лаки, електро-ізоляційні покриття, негорючі кіноплівки.

Загальна схема виробництва цукруУ цукрових буряках міститься в середньому 16–18 % цукру.

Добування цукру показано на схемі 13. Насамперед цукрові бу-ряки миють, нарізають за допомогою спеціальних машин на то-ненькі шматочки (бурякова стружка) і витягують (видобувають) з них цукор гарячою водою. Це так званий дифузійний спосіб, який ґрунтується на тому, що цукор дифундує крізь клітинну оболонку, тоді як білкові речовини залишаються всередині клітин і не забруднюють розчину цукру. Отриманий розчин випарюють у вакуум-апаратах у декілька прийомів: спочатку, за порівняно невисокого вакууму, — до густини сиропу, а потім, за більшого значення вакууму, — до утворення густої кристалічної маси.

Схема 13

Âèðîùóâàííÿ òà çáèðàííÿ âðîæàþ öóêðîâèõ áóðÿê³â

â³äïðàâêà íàÖóêðîâèé çàâîä

³äìèâàííÿ â³ä çàëèøê³â ´ðóíòó

Ïîäð³áíåííÿ íà ìàëåíüê³ øìàòî÷êè

Îáðîáëÿííÿ øìàòî÷ê³â ãàðÿ÷îþ âîäîþ ç ìåòîþ âèëó÷åííÿ öóêðó

Âèïàðþâàííÿ ðîç÷èíó öóêðó ç ìåòîþ óòâîðåííÿ ñèðîïó

Âèïàðþâàííÿ ñèðîïó çà âèñîêîãî âàêóóìó äî óòâîðåííÿ êðèñòàë³÷íî¿ ìàñè

Ïîëå

Основні поняття. Вуглеводи. Моносахариди. Полісахариди. Глюкоза. Сахароза. Крохмаль. Целюлоза.

247

Експериментуємо вдомаВиявленняорганічнихсполукухарчовихпродуктах

Проведіть експеримент з виявлення крохмалю в бульбахсироїкартоплі. Ізцієюметоюмитуобчищенубульбукартопліподрібніть на тертушці. Потім помістіть її на дрібне сито тапромийтеводою.Утворенаврезультатікаламутнарідина—крохмальне молоко.Дайтейомувідстоятисятавідфільтруйте.Те,щозалишилосянафільтрі,єкрохмалем.Якщо набрати крохмальне молоко у звичайну металеву кружку, залитиневеликимоб’ємомводиі,перемішуючи,довестидокипіння,тоутворитьсякрохмальнийклейстер.Післяохолодженнядодайтедонього,безперервноперемішуючи, по краплинах спиртовий розчин йоду.Що спостерігаєте?Якогокольорунабуваєсуміш?Зробітьвисновок.

Запитання та завдання

°1. Чому глюкоза, сахароза, крохмаль і целюлоза мають загальну назву «вуглеводи»?

°2. Які вуглеводи відносять до моносахаридів, а які — до по лісахаридів?

°3. Якою є молекулярна формула глюкози? Де міститься глюкоза?

°4. Яку реакцію називають якісною реакцією на глюкозу? Де її застосо-? Де її застосо-вують?

°5. Якою є молекулярна формула сахарози? Чому сахарозу ще називають дисахаридом? З яких рослин її виділяють?

6. Молекули яких речовин і якого складу утворюються із сахарози під дією ферментів або у кислому середовищі? Чим відрізняються молекули цих речовин?

7. Який продукт утворюється внаслідок гідролізу крохмалю та це-люлози?

8. Як зображують молекули крохмалю з різною структурою?

9. Яку реакцію застосовують для визначення наявності як йоду, так і крохмалю?

°10. Якою є молекулярна формула целюлози?

°11. На яку речовину перетворюється целюлоза внаслідок повного гід-ролізу?

12. Унаслідок гідролізу сахарози утворилося 90 г глюкози. Яка маса сахарози вступила в реакцію?

*13. Відомо, що в листі рослин у процесі фотосинтезу, який відбувається під дією сонячного світла, утворюється глюкоза:

6CO2 + 6H

2O → C

6H

12O

6 + 6O

2 .

Визначте, який об’єм (н. у.) карбон(IV) оксиду перетворився на глю-Визначте, який об’єм (н. у.) карбон(IV) оксиду перетворився на глю-IV) оксиду перетворився на глю-) оксиду перетворився на глю-козу, якщо в навколишнє середовище виділилося 160 г кисню.

248

*14. В організмі людини глюкоза є основним джерелом енергії, яка виділяється внаслідок її окиснення: C

6H

12O

6 + 6O

2 → 6H

2O + 6CO

2↑.

Визначте масу глюкози, що зазнала окиснення з утворенням 126 г води.

15. Обчисліть масові частки (%) Карбону й води в молекулі: а) глюкози; б) сахарози. Яка із цих речовин містить більше Карбону, а яка — води?

*16. Який об’єм (н. у.) карбон(IV) оксиду утвориться в результаті окис-нення 5,5 моль глюкози?

17. У чому — картоплі, зернах кукурудзи чи рисі — масова частка крох-малю найбільша?

*18. Під дією ферментів дріжджів відбувається перетворення глюкози на етанол: C

6H

12O

6 → 2С

2H

5OH + 2CO

2↑.Яка маса глюкози перетворилася

на етанол, якщо при цьому виділилося 33,6 л (н. у.) карбон(IV) оксиду?

19. Одне дерево за добу здатне перетворювати на вуглеводи 55 г карбон(IV) оксиду. Скільки літрів кисню (н. у.) при цьому виділяється?

20. Із перелічених формул виберіть формули вуглеводів: C3H

8O, C

5H

10O

5,

C12H

26, C

12H

22O

11, C

6H

12O.

21. Як відрізнити крохмаль від целюлози за хімічними властивостями?

§ 59. Амінокислоти. Молекулярна та структурна формули аміноетанової кислоти, фізичні й хімічні властивості

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якіфункціональнігрупивходятьдоскладуаміноетановоїкислоти;•чомуаміноетановакислотамаєамфотернівластивостітачимвонавідрізня-єтьсявіднеорганічнихамфотернихсполук;•щотакепептиднийзв’язокіпептиди.

Склад сполуки. Величезне значення для життя на Землі мають кислоти, у молекулах яких, крім карбоксильної групи —COOH, є ще й аміногрупа —NH

2. Такі сполуки називають амінокислотами.

Усі білки в живих організмах складаються із залишків молекул різних амінокислот.

У природі переважають амінокислоти, у молекулах яких обидві функціональні групи сполучені з тим самим атомом Карбону:

—

—

H N2 —COOH,CH

R

де R — атом Гідрогену або група атомів (табл. 12).

249

Таблиця 12Деякі природні амінокислоти

НазваЗалишок R у формулі амінокислоти —

—

H N2 —COOH,CH

R

Гліцин —H

Аланін —CH3

Цистеїн —CH2—SH

Серин —CH2—OH

Фенілаланін —CH2—C

6H

5

Амінокислоти отримують гідролізом білків або синтезують із відповідних карбонових кислот. Їх використовують як медичні препарати (рис. 53) та як харчові добавки до сільськогосподарських кормів.

Найпростіша з амінокислот — аміноетанова, інша її назва — гліцин. Її молекулярна та структурна формули такі:

H

— O

OH———C—H N2 —COOH —C—

H

—

CH2 H—N

H

—

Фізичні властивості. Гліцин — це безбарвна нелетка кристалічна речовина, яка добре розчиняється у воді, але нерозчинна в спиртах та естерах.

Хімічні властивості. Аміноетанова кислота, через те що до її складу входять різні функціональні групи — аміногрупа та карбоксильна група, виявляє подвійні хімічні властивості: основні та кислотні, тобто вона є амфотерною органічною сполукою. Від амфотерних неорганічних сполук аміноетанова кислота відрізняється тим, що її основні та кислотні властивості обумовлені різними функціональними групами.

У водних розчинах ці функціональні групи взаємодіють між собою:

—COOHCH2

NH

— H2

—COOCH2

NH

—

3

++

–

У результаті атом Гідрогену карбоксильної групи приєднується до аміногрупи тієї самої молекули амінокислоти з утворенням біполярного (тобто двополярного) йона.

250

Незважаючи на амфотерність, у більшості амінокислот кислотні властивості виражені дещо більшою мірою, ніж основні. На це вказує значення pH їхніх водних розчинів, яке в середньому становить ≈ 5,8.

Кислотні властивості аміноетанової кислоти виявляються в її здатності взаємодіяти з лугами з утворенням солі:

H N CH —— — —COOH NaOH H N CH COONa H O2 2 2 2 2+ → +натрій аміноетаноат

Основні властивості виявляються в здатності аміноетанової кислоти взаємодіяти із сильними неорганічними кислотами:

H2N—CH

2—COOH + HCl → (H

3N—CH

2—COOH)+Cl–

Демонстраційний дослід•ДіяамінокислотнаіндикаториТрошкиаміноетановоїкислотишпателемнасипаютьупробіркутадодаютьводи об’ємом 2–3 мл. Утворений розчин розподіляють на три пробірки.У першудодають1–2краплинирозчинуметилоранжу,удругу—стількижрозчинуфенолфталеїну,утретю—такусамукількістьрозчинулакмусу.Щоспостерігаєте?Ужоднійпробірцізабарвленняіндикаторівнезмінюється.Чому?Цепояснюють тим,щоосновна група кислоти складу—NH

2 та її

кислотнагрупаскладуO

OH———C— взаємнонейтралізуються.

Для амінокислот характерні реакції утворення пептидів. Такі властивості амінокислот пов’язані з одночасною наявністю

в їхніх молекулах протилежних за властивостями функціональних груп. Тому за певних умов група складу —COOH, що виявляє кислотні властивості, реагує з групою складу —H

2N, яка виявляє

основні властивості та належить до іншої молекули. Унаслідок

óäðîãåí Êàðáîí Îêñèãåí ͳòðîãåí

à á

Рис. 53. Аміноетанова кислота: а — кулестрижнева модель; б — медичний препарат

251

цього утворюються молекула води та продукт, який називають дипептидом, у якому залишки молекул амінокислот сполучені між собою так званим пептидним зв’язком (пептидною групою):

——

—H N2— CCH2

O

+—OH H —N CH2

— —C—OH

H

— ——

O

—H N2—CCH2

— —N

H

—

— CCH2 —OH + H O2

——O

——

O

ïåïòèäíèéçâ’ÿçîê

Утворений дипептид, так само як і амінокислоти, містить дві функціональні групи: H

2N— і —COOH і тому може взаємодіяти

ще з однією молекулою амінокислоти з утворенням трипептиду.Останній у подальшому утворює тетрапептид. Отже, цей процес

взаємодії може відбуватися багаторазово до утворення продукту вели кої молекулярної маси — поліпептиду, тобто молекул біл-ків. У такій послідовності можна подати синтез білків, що має міс це в певних організмах. Молекулярна маса макромолекул біл-ків може сягати від 6 тисяч до кількох мільйонів.

Отже, пептиди — це сполуки, побудовані з кількох залишків молекул амінокислот, сполучених у нерозгалужений ланцюг пеп-

тидними зв’язками, що утворюються між групою атомів OC

————

однієї молекули кислоти та групою ато мів —NH іншої молекули кислоти:

NH—C

O

——

— —

Через те що амінокислоти мають у своєму складі два протилежно заряджені йони —COO– і NH3

+ , їх відносять до речовин йон-ної будови, зокрема солей. Тому амінокислоти за звичайних умов — кристалічні речовини з досить високими температурами плавлення, добре розчинні у воді.

Амінокислоти необхідні для побудови білків організмів. Лю-ди на та тварини одержують їх у складі білків їжі. У харчовій промисловості амінокислоти отримують гідролізом білків.

Основні поняття. Аміноетанова кислота. Аміногрупа. Пептидний зв’язок. Поліпептиди.

252

Дороті Кроуфут-Ходжкін(1910–1994)

Англійська жінка-вчена, лауреат Нобелівської пре-мії з хімії (1964). Методом рентгеноструктурного ана лізу дослідила просторову будову молекули ін-суліну, що складається із залишків амінокислот (кількістю від 21 до 30).

Запитання та завдання °1. Які органічні сполуки називають амінокислотами?

°2. Яка молекулярна та структурна формули аміноетанової кислоти?

°3. Чому аміноетанова кислота є амфотерною органічною сполукою?

°4. Які функціональні групи входять до складу аміноетанової кислоти?

5. Чим відрізняється амфотерність аміноетанової кислоти від амфо-терності неорганічних сполук?

6. Як називають продукт взаємодії великої кількості амінокислот, що має місце в живих організмах?

7. Як називають продукти, що утворюються під час взаємодії між собою: а) двох; б) трьох; в) тисячі молекул амінокислот?

*8. Яка маса продукту реакції утворилася, якщо з аміноетановою кис ло-тою прореагувало 20 г натрій гідроксиду?

*9. Аміноетанова кислота якої маси може прореагувати з хлоридною кислотою, узятою масою 73 г?

*10. Дипептид якої маси може утворити аміноетанова кислота масою 150 г?

11. Яку реакцію — кислотну, лужну чи нейтральну — мають водні розчини аміно кислот? Чому?

12. Складіть рівняння реакції взаємодії аміноетанової кислоти з кальцій гідроксидом. Скільки атомів Гідрогену в молекулі продукту реакції?

13. Обчисліть число атомів Гідрогену в молекулі дипептиду, утвореного з двох молекул аміноетанової кислоти. Визначте його молекулярну масу.

14. Аміноетанова кислота масою 30 г прореагувала з натрій гідроксидом. Яка маса натрій гідроксиду вступила в реакцію?

253

§ 60. Білки: склад і будова. Гідроліз, денатурація, кольорові реакції білків

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якіорганічнісполукиназиваютьбілками;•якаструктурабілків;•якіхімічнівластивостібілків;•якезначеннябілківдляживогоорганізму.

Склад і будова білків. Білки — це природні високомолеку-лярні сполуки, які складаються із залишків молекул амінокис-лот, що сполучені між собою у певній послідовності пептидними зв’язками.

У складі білків трапляються залишки молекул 20 амінокислот. За хімічним складом білки поділяють на дві групи — прості та

складні. До простих білків відносять такі, що внаслідок гідролізу ут во-

рю ють тільки амінокислоти (їх небагато). До складних білків відносять такі, унаслідок гідролізу яких

утворюються як амінокислоти, так і речовини небілкової природи (вуглеводи, ортофосфатна кислота тощо).

Властивості білків залежать не лише від того, які амінокислотні залишки утворюють їх, а й від того, у якій послідовності вони сполучені один з одним. Особливість будови білків полягає у су-во рому порядку чергування залишків амінокислот. Через це роз-різ няють первинну, вторинну, третинну та четвертинну структуру біл ків.

Первинна структура білків визначається послідовністю чергування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі (рис. 54). Установлення первинної структури білків є важливою науковою проблемою.

——

—

—

—

C

C

N

O

——

O

RRC

CR

C

N

—

N

H

H

—

H

—

H

HH

Рис. 54. Первинна структура білків: R — вуглеводневий залишок (H

3C—, —C

2H

5, —C

3H

7 тощо)

254

Вторинна структура білків визначається формою полі пеп тид-ного ланцюга, згорнутого в спіраль, яку називають α-спі раллю. Спіралеподібна форма молекули зберігається завдяки виник-ненню водневих зв’язків між атомами Гідрогену й Оксигену в пептидній групі, які розміщуються між витками спіралі (рис. 55).

Третинну й четвертинну структури білків вивчають у старших класах.

Хімічні властивості. Під час нагрівання білки за наявності лугів або кислот, а також під дією ферментів — біологічно активних речовин — зазнають гідролізу з утворенням амінокислот. Повний гідроліз, наприклад, одного із трьох пептидів можна зобразити у вигляді такого рівняння:

H2N—CH

2—C—N—CH

2—C—N—CH

2—C 3H

2N—CH

2—COOH

O

HO—H

H O

HO—H

H O

C—

—

R

N

—

——

C

O

C

R

N

—

——

C

OC

——

OC—

—

R

—

C

—

R

C

——

O N

CN

—

N

R

C

——O

H

H

N

H

HH

H

H

H

H

H

—

N

H

C——

O—

N

H C——

O

HC—

H

—N

H

C

—

—

H

R

C

——

OC

——

O

—

N

HC

——

O

—

H

— C

—

R—

H

C

H

...

... ...

...

...

...

...

R

Рис. 55. Вторинна структура білків: пунктиром позначено водневі зв’язки між атомами Гідрогену й Оксигену в пептидній групі

255

У результаті гідролізу руйнуються пептидні ланцюги білків та утво рюється суміш амінокислот, а також інші речовини.

Денатурація білків — це процес зсідання, пов’язаний зі змі-, пов’язаний зі змі-ною їхньої просторової структури, крім первинної. Денатурацію біл ків може викликати дія на них кислот, лугів, спиртів, наг рі-ван ня, підвищений тиск.

У більшості випадків білки одержують з рослин і тварин. Деякі з них, наприклад інсулін, добувають синтетичним шляхом.

Білки — один із найголовніших компонентів харчових продуктів. Під час приготування їжі, яке супроводжується смаженням або кип’ятінням, відбувається денатурація білків. У такому вигляді вони краще засвоюються організмом, тобто легше піддаються гідролізу під дією шлункового соку. Амінокислоти, що при цьому утворюються, витрачаються на побудову білків організму.

Білки широко застосовуються як компоненти багатьох лікар-ських препаратів.

Демонстраційний дослід• Розчинення білківРозбивають куряче яйце, після чого білок відокремлюють від жовтка.Потімбілоквиливаютьвстаканідоливаютьдистильованоїводидооб’єму100 мл.Сумішенергійноперемішують.Добутийрозчинфільтруютькрізь2–3 шаримарлі.

• Осадження білківУдвіпробіркиналиваютьрозчинбілка(одержанийупопередньомудосліді)об’ємом 1–2 мл. У першу пробірку добавляють по краплинах розчинкупрум(ІІ) сульфату (w(CuSO

4)=20%), у другу — розчин плюмбум(ІІ)

етаноату (w(Pb(CH3COO)

2) = 15 %). У всіх пробірках спостерігається

утворенняосадубілка.АлевнадлишкурозчинівCu(NO3)2таPb(CH

3COO)

2

білокрозчиняється.Властивість білка зв’язувати йони важких металічних елементів

викорис то ву ють у клінічній практиці, зокрема для запобігання отруєнню в разі потрапляння до організму солей Меркурію(ІІ), Плюмбуму(ІІ), Купруму(ІІ).

Унаслідок навіть слабкого нагрівання білок зсідає.

Демонстраційний дослід

Денатурація білків

У трипробірки вносятьпо10 крапельрозчину курячогобілка.У  першупробіркудодають1краплинурозчинуетановоїкислоти(w(CH

3COOH) = 1 %)

інагріваютьдокипіння.Випадаєосадденатурованогобілка.Удругупро-біркудодаютьпокраплинахрозчинаргентум(I)нітрату(w(Ag(NO

3) = 5 %).

Випадає осад денатурованого білка, який не розчиняється в надлишку

256

доданого розчину солі. У третю пробірку додають по краплинах розчинмеркурій(II)нітрату(w(Hg(NO

3)2) = 5%).Випадаєосадденатурованогобілка,

якийнерозчиняєтьсяунадлишкудоданогорозчинусолі.

Ці процеси пов’язані зі зміною просторової структури білка.Для білків характерні кольорові реакції, за допомогою яких

здійснюють якісний хімічний аналіз:а) біуретова реакція — дія на білок розчину лугу та розчину

купрум(ІІ) сульфату, при цьому розчин забарвлюється у фіолето-вий колір;

б) ксантопротеїнова реакція — дія концентрованої нітратної кислоти з появою жовтого забарвлення. У разі додавання лугу жовте забарвлення змінюється на оранжеве.

Лабораторний дослід 22Кольорові реакції білків

• Біуретова реакція

Налийтерозчинбілкаоб’ємом2млупробіркуйдодайтедоньоготакийсамийоб’ємнатрійгідроксиду(w(NaOH)=40%),апотім2–3краплірозчинукупрум(ІІ)сульфату(w(CuSO

4)=1%).Післяенергійногозбовтуваннясуміші

розчин набуває забарвлення. Якого? Укажіть, пептидний зв’язок якогоскладувиявляєтьсяцієюреакцією.

• Ксантопротеїнова реакція

Налийте розчин білка об’ємом 2 мл у пробірку, додайте до ньогоконцентрованунітратнукислоту(ρ=1,4г/мл)об’ємом1млтаобережнонагрійте. Утворюється осад. Якого кольору? Після охолодження осадобробітьлугом,якийдодавайтепокраплинахдопоявиіншогозабарвлення(якого?).

Значення білків. За участі білків регулюються найважливіші властивості живого організму — зростання, рухливість, спадко-, рухливість, спадко-вість, імунітет, діяльність органів чуттів.

Особливо важливу роль відіграють білки, які містять незамінні амінокислоти, яких налічується дев’ять. Усі вони синтезуються лише в зелених рослинах і не синтезуються в живих організмах: це лізин, лейцин, фенілаланін та ін. Амінокислоти, які можуть синтезуватися в організмі тварин і людей з інших амінокислот або небілкових компонентів, називають замінними (гліцин — аміноетанова кислота, серин, глутамінова кислота).

Основні поняття. Білки. Первинна, вторинна, третинна і чет-вертинна структури білків. Денатурація білків. Зсідання білків. Біуретова та ксантопротеїнова реакції на білки.

257

Для допитливихБілкиєтакожхарчовимиречовинами.Унасіннібагатьохрослин(пшениці,кукурудзи,рисутаін.)містятьсяхарчовібілки.Донихвідносятьтакожальбумін—основнийкомпонентяєчногобілкатаказеїн—основнийбілокмолока.Підчасперетравлюваннябілкової їжі ворганізмілюдинивідбувається гідролізпептиднихзв’язків,задопомогоюякихмолекулибілківсполучаютьсяодназодною.Унаслідокцього білки розпадаються на окремі амінокислоти, з яких організму  подальшому утворює нові пептидні зв’язки або які використовує дляодержанняенергії.Цимгідролізомкеруютьтежбілки—ферменти.Білки беруть участь у регулюванні клітинної та фізіологічної активності.Наприклад, гормон інсулін, що регулює обмін глюкози, і гормон росту.Білкиактин і міозин,зякихпобудованом’язи,наділяютьорганізмздатністюзмінювати форму та пересуватися. Білки виконують опорну й захиснуфункції, скріплюють біологічні структури та надають їм міцності. Шкіраявляєсобоюпрактичночистийбілокколаген,аволосся,нігтітапташинепір’яскладаютьсяз міцногонерозчинногобілкакератину.

Ада Йонат(р. н. 1939)

Ізраїльтянська жінка-вчена, лауреат Нобелів ської премії з хімії (2009). Одна з перших дослідників дії антибіотиків на білки. Це був дуже важливий крок у процесі вивчення клінічної ефективності лікарської терапії.

Запитання та завдання °1. Які природні високомолекулярні сполуки називають біл-

ками? 2. Які існують структури білків? Яка з них є найскладнішою? 3. Що таке гідроліз білків? Які речовини внаслідок нього утворюються? 4. Який процес називають денатурацією білків? 5. У чому полягає сутність біуретової та ксантопротеїнової реакції? 6. Які найважливіші властивості організму регулюються за участі біл ків? 7. Як називають амінокислоти, що входять до складу білків і не син те-

зу ють ся в організмі? Скільки їх налічується? *8. Складіть рівняння реакції утворення дипептиду з незамінної амі но-

кис ло ти аланіну CH3—CH—COOH

NH2

.

*9. Складіть рівняння реакції утворення трипептиду із замінної аміно-кислоти серину H

2N—CH—COOH

CH2OH

.

258

§ 61. Нуклеїнові кислоти: склад і будова, біологічне значення

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щотакенуклеопротеїди;•щотакеРНКіДНКтаякурольвонивідіграютьужиттєдіяльностіорганізмів.

ДНК — настільки важлива молекула, що ми ніколи не знатимемо про неї

занадто багато.Френсіс Крік,

лауреат Нобелівської премії

Склад і будова. Однією із груп складних білків, або нуклео про­те ї дів, є такі, до складу яких поряд з амінокислотами входять і нуклеїнові кислоти — біополімери. Це надзвичайно важлива група речовин, через те що вони є безпосередніми компонентами будь-якої живої тканини. Деякі нуклеопротеїди існують у природі у вигляді особливих частинок — вірусів, що мають патогенну активність.

Молекули нуклеїнової кислоти мають ланцюжкову будову, яка складається з великої кількості ланок. Кожна ланка ланцюга побудована таким чином:

ðèáîçà(àáî äåçîêñèðèáîçà)

Ðèáîçà Äåçîêñèðèáîçà

ðèáîçà(àáî äåçîêñèðèáîçà)

Ãåòåðîöèêë³÷íàîñíîâà

Ãåòåðîöèêë³÷íàîñíîâà

OH

—P O

O

O— ——

OH

—P O

O

O——

OHOH OH OH

H

HH H H

—C

——

—C

——

—C C

——

—C

——

—O

H———

OHOH OH H

H

HH H H12345

—C

—

—C

—

—C C

—

—C

—

—O

H———

Рибоза та дезоксирибоза є представниками альдегідоспиртів, оскільки поряд із гідроксигрупами містять й альдегідну групу. Дезоксирибоза відрізняється від рибози відсутністю другого ато ма Карбону гідроксигрупи. До складу гетероциклічних ос нов у випадку рибози може входити: аденін (А), гуанін (Г), ци то зин (Ц), урацил (У); а у випадку дизоксирибози: аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц), тімін (Т), які мають досить складну будову та склад. Через складну будову гетероциклічних основ їхній склад по зна ча ють, у більшості випадків, лише першою літерою їхньої назви. Наприклад, аденін позначають (А).

259

Під час гідролізу нуклеїнові кислоти розщеплюється на гете-роциклічну основу — рибозу або дизоксирибозу та ортофосфатну кислоту H

3PO

4.

Нуклеїнова кислота, яка містить рибозу, має назву рибонуклеї­нової, скорочено позначають РНК. Нуклеїнову кислоту, що містить дезоксирибозу, називають дезоксирибонуклеїновою, її позначають ДНК.

У молекулах нуклеїнових кислот усі ланки пов’язані в суворій послідовності, тому, як і молекули білків, макромолекули ДНК і РНК мають тривимірну структуру (вторинну, третинну, чет вер-тин ну), обумовлену утворенням водневих зв’язків. При цьо му мо-ле ку ли ДНК, як правило, являють собою спіраль, що скла да єть ся з двох полінуклеотидних спіралей, закручених навколо спіль ної осі.

Біологічне значення. Нуклеопротеїди мають дуже важливе біо-ло гіч не значення. Поділ клітин, біосинтез білка, передавання спад ко вості тісно пов’язані з нуклеопротеїдами та однією з їхніх скла дових частинок — нуклеїновими кислотами.

ДНК і РНК локалізуються у різних частинах клітини, саме із цим і пов’язані їхні функціональні особливості.

ДНК є основним будівельним матеріалом генів, у яких збе рі га-ють ся спадкові функції організму.

РНК виконує різні функції: транспортну, інформаційну, а також кодує спадкову інформацію та переносить її до місця збирання білкової молекули тощо.

Основні поняття. Нуклеопротеїди. Нуклеїнові кислоти. Рибо-нук леїнова кислота (РНК). Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК).

Розалінд Елсі Франклін(1920–1958)

Англійська жінка-вчена, біофізик і рентгено-граф, яка зро била вагомий внесок у розуміння струк тури ДНК, вірусів, вугілля та графіту. Вона вперше здійснила рентгенівський ди-фрак ційний аналіз молекули ДНК. Спираючись на результати дослідження Фран-к лін, учені Джеймс Ватсон і Френ сіс Крік ство рили гіпотезу структури подвійної спиралі ДНК, за що отримали Нобелівську премію.

Запитання та завдання 1. Що таке нуклеопротеїди? Які кислоти входять до їхнього

складу?

260

2. Яку будову мають нуклеїнові кислоти? 3. На які речовини розщеплюється нуклеїнова кислота під час гідролізу? 4. Яку назву мають нуклеїнові кислоти, до складу яких входить:

а) рибоза; б) дезоксирибоза? Як їх позначають? 5. Які функції в організмі виконує ДНК, а які — РНК?

§ 62. Природні й синтетичні сполуки. Значення продуктів органічної хімії

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щоєосновнимприроднимджереломорганічнихсполук;•якіречовиниодержуютьпереробляннямприроднихджерелорганічнихспо-лук;•якіречовининалежатьдонайважливішихсинтетичнихорганічнихсполук.

Природні органічні сполуки. Основними природними джерелами органічних сполук, зокрема вуглеводнів, є нафта, природний газ і кам’яне вугілля (схема 14). Нафта містить головним чином насичені вуглеводні. Унаслідок її перегонки одержують бензин, гас, дизельне пальне, а також мастильні матеріали.

Основною складовою природного газу є метан, який вико-ристовують як ефективне паливо. Під час його згорання не утво-рю ють ся ані зола, ані отруйний чадний газ. Тому природний газ вважають екологічно чистим паливом. Велику кількість при род-но го газу використовує хімічна промисловість. Його переробка зводиться головним чином до отримання ненасичених вуглеводнів

Схема 14

Ïðèðîäí³ äæåðåëà âóãëåâîäí³â

Íàôòà

Ïðèðîäíèé ãàç

Áåíçèí Ãàñ

Åòèëåí

Àöåòèëåí

Ñèíòåòè÷íèé áåíçèí Îðãàí³÷í³ êèñëîòèÑïèðòè

Ñèíòåç-ãàç

ÊîêñÄèçåëüíåïàëèâî

Ìàñòèëüí³ìàòåð³àëè

Êàì’ÿíîâóã³ëüíàñìîëà

Êàì’ÿíå âóã³ëëÿ

261

і синтез-газу — суміші карбон(II) оксиду та водню. Синтез-газ от ри-мують нагріванням метану з водяною парою. Із цієї суміші, вико-ристовуючи різні каталізатори, синтезують оксигеновмісні спо-луки — метанол, етанову кислоту тощо.

Під час пропускання над кобальтовим каталізатором синтез-газ перетворюється на суміш алканів, яка являє собою синтетичний бензин.

Із кам’яного вугілля одержують кокс і кам’яновугільну смолу. Кокс використовують у металургії як відновник для отримання заліза з оксидів Феруму. Кам’яне вугілля також використовують як паливо, однак при цьому виникають екологічні проблеми. Вугілля містить негорючі домішки, які під час окиснення палива перетворюються на шлак. Також до складу вугілля входять не ве-ли кі кількості сполук Сульфуру та Нітрогену, під час згорання яких утворюються оксиди, що забруднюють атмосферу.

Вуглеводи, що мають загальну формулу Cn(H

2O)

m, утворюються

в листі рослин у результаті фотосинтезу. Вони є одним з основних джерел енергії живих організмів. До вуглеводів відносять також природні полімери, крохмаль і целюлозу. Крохмаль — складова частина багатьох продуктів харчування, а целюлоза — основна органічна речовина рослинних клітин. Унаслідок повного гідролізу крохмалю та целюлози одержують глюкозу.

Амінокислоти — органічні сполуки, що містять дві фун-кці о наль ні групи: аміногрупу —NH

2 та карбоксильну групу

—COOH. У результаті взаємодії амінокислот утворюються природ-ні сполуки — усі рослинні та тваринні білки, або поліпептиди. Останні можуть містити до 26 амінокислот, але найчасті ше 22.

Синтетичні органічні сполуки. До них належать спирти, найпоширенішим є етанол C

2H

5OH. Його одержують у результаті

реакції приєднання води до етену або бродінням глюкози. Етанол використовують у хімічній, парфумерній та харчовій промисловості, а також у медицині.

Карбонові кислоти — метанова, етанова — теж представники синтетичних органічних сполук. Метанову кислоту добувають із карбон(ІІ) оксиду. Її використовують для фарбування тканин, обробляння шкіри та консервації кормів.

У промисловості метанову кислоту одержують у дві стадії: • спочатку отримують натрій метанат:

CO + NaOH CO

ONa——— —H

íàòð³é ìåòàíîàò

262

• потім діють на натрій метаноат сульфатною кислотою:

42CO

ONa——— —2H + H SO C

O

OH——— —2H 42+ Na SO

Етанову кислоту, яка утворюється внаслідок окиснення бутану або етанолу, використовують як вихідну речовину для одержання ацетатного волокна, органічних розчинників, духмяних речовин. До них належать і жири, що утворюються внаслідок взає модії гліцеролу з вищими карбоновими кислотами. Окиснення жирів є одним із джерел енергії живих організмів.

Жири належать до найважливіших харчових продуктів. З них одержують низку цінних речовин: гліцерол, мило, стеарин. Жири бувають твердими — це головним чином тваринні жири. Вони містять переважно стеаринову та пальмітинову кислоти. Рідкі жири вирізняються головним чином високим вмістом олеїнової кислоти та інших ненасичених карбонових кислот. Рідкі жири часто називають олі я ми: соняшникова, оливкова, кукурудзяна, бавовняна та ін. Рідкі жири внаслідок реакції гідрогенізації (приєднання водню за рахунок розриву подвійного зв’язку) часто перетворюються на тверді.

Амінокислоти добувають і штучно. Їх застосовують у медицині, для годівлі тварин, як вихідні речовини для одержання пластмас та штучного волокна.

Основні поняття. Природні й синтетичні органічні сполуки.

Запитання та завдання 1. До яких джерел органічних сполук відносять нафту, при-

родний газ, вугілля, вуглеводи, жири? 2. До яких органічних сполук — синтетичних чи природного

походження — відносять спирти, карбонові кислоти? 3. За допомогою якого процесу одержують етанол? 4. Як одержують метанову та етанову кислоти? 5. За допомогою якого процесу рідкі жири можна перетворити на

тверді? 6. Для одержання яких продуктів амінокислоти використовують як

вихідні речовини? 7. Яку максимальну кількість амінокислот можуть містити тваринні

білки? 8. Унаслідок переробки яких речовин можна одержати глюкозу, крох-

маль, целюлозу, амінокислоти?

263

Експериментуємо вдомаВиявленнябілківухарчовихпродуктахПриготуйтедекількарозчинів,що,якможнаприпустити,міс-тятьбілок.Цеможебутим’яснийаборибнийбульйон,відварбудь-яких овочів або грибів. Перед проведенням дослідів цірозчинибажанопроцідитикрізьмарлю.Підготовлені розчини налийте у пробірки приблизно до половиниоб’ємів. Додайте до них прокипілий охолоджений розчин пральної содита розмішайте.Долийтерозчинмідногокупоросу.Якщовдосліджуваномувідваріміститьсябілок,забарвленнявідразустанефіолетовим.

Тестові завдання 1. Об’єм вуглеводню ряду метану відноситься до об’єму кисню, потріб-

ного для повного згорання алкана, як 1 : 6,5. Назва вуглеводню:А бутанБ пентанВ етанГ пропан

2. Білки, макромолекули яких утворені виключно залишками молекул амінокислот:А нуклідиБ протеїниВ протеїдиГ нуклеотиди

3. Установіть відповідність між типом реакції, позначеним цифрою, та її назвою, позначеною буквою:1 реакція приєднання водню до

молекули ненасиченої органічної сполуки

А біуретова реакція

2 реакція заміщення атомів Гідрогену в молекулі метану на атоми галогену

Б ксантопротеїнова реакція

3 реакція виявлення білка купрум(ІІ) гідроксидом у лужному середовищі

В галогенування

4 реакція виявлення білка розчином концентрованої нітратної кислоти

Г гідроліз

Ґ гідрування

4. Об’єм кисню, потрібний для спалювання 100 л (н. у.) метану ста-новить:А 300 лБ 150 лВ 100 лГ 200 л

264

5. Кількість атомів Карбону в бутані об’ємом 6,72 л (н. у.) дорівнює:

А 1 2 1024, æ Б 4 5 1023, æ В 1 8 1023, æ Г 2 4 1024, æ

6. Унаслідок пропускання пропену крізь бромну воду маса реакційної посудини зросла на 10,5 г, що відповідає утворенню продукту реакції масою:А 46,8 г Б 50,5 г В 54,6 г Г 61,7 г

7. Ненасичений вуглеводень відрізняє від насиченого:А кратність хімічного зв’язкуБ розчинність у водіВ реакційна здатністьГ якісний склад

8. Вуглеводень, узятий об’ємом 1 л (н. у.) і масою 1,34 г, містить Гідроген, масова частка якого становить 20 %. Вуглеводень має назву:А метанБ етан В етенГ етин

9. Обчисліть тепловий ефект реакції (значення якого наведіть у її термохімічному рівнянні) згорання метанолу масою 40 г, якщо в результаті окиснення його киснем виділяється 2200 кДж теплоти.

А ∆ = −Hр�ції кДж960

Б ∆ = −Hр�ції кДж880

В ∆ = −Hр�ції кДж720

Г ∆ = −Hр�ції кДж610

10. У результаті згоряння вуглеводню масою 6 г утворилося 17,6 г карбон(IV) оксиду та 1,2 г води. Його склад відповідає формулі:А CH

4

Б C2H

2

Б C2H

4

Г C2H

6

11. Гідратацією етену, узятого об’ємом 112 л (н. у.), добули етанол масою 207 г. При цьому масова частка виходу спирту становить:А 96 % Б 90 % В 93 % Г 88 %

265

12. У результаті взаємодії метанолу, узятого кількістю речовини 1,5 моль, з металічним натрієм одержали водень об’ємом (н. у.):

А 16,8 л

Б 18,6 л

В 14,4 л

Г 12,5 л

13. Розчином об’ємом 30 мл, густиною 1,22 г/мл і масовою часткою нат-рій гідроксиду 20 % можна нейтралізувати етанову кислоту масою:

А 9,0 г

Б 11,0 г

В 12,3 г

Г 14,1 г

14. Для розчинення цинку масою 5 г потрібен розчин з масовою часткою метанової кислоти 20 % і масою:

А 35 г

Б 42 г

В 49 г

Г 53 г

15. Гліцерол реагує з кожною речовиною набору:

А Na, CaCl2

Б Cu(OH)2, HCl

В Na, Cu(OH)2

Г Cl2, Zn(OH)

2

16. Етен реагує з кожною речовиною набору:

А N2, Cu(OH)

2, HCl

Б Al, H2O, N

2

В O2, H

2, Br

2

Г CO2, S, Na

17. Яку речовину можна використати для того, щоб відрізнити етанол від гліцеролу:

А вода

Б натрій

В натрій гідроксид

Г купрум(II) гідроксид

266

18. До складу яких жирів входять залишки ненасичених карбонових кислот?

А

CO

—O—CO

O CO

O

— —

— —

—

—

— C H3517

C H3517

——

CH 2

ÑH

CH 2

C H3115

Б

——

CH 2

ÑH

CH 2

— O—CO

O CO

O

— —

— —

—

—

—C H3317

C H3115 CO

C H3115

В

——

CH 2

ÑH

CH 2

— O—CO

O CO

O

— —

— —

—

—

—C H3517

C H3317CO

C H3117

Г

——

CH 2

CH 2

—O—CO

O CO

O

— —

— —

—

—

—C H3115

C H3115 CO

C H3517 CH 2

19. Щоб перетворити триолеїноат масою 106 г на твердий жир (тристеарин), необхідно витратити водень об’ємом (н. у.):

А 10,0 л Б 9,5 л В 11,6 л Г 12,0 л

20. Основним джерелом метану для одержання органічних речовин є:

А вугілляБ природний газВ алюміній карбідГ нафта

21. Який реагент необхідно взяти для перетворення рідких жирів на тверді:

А розчин NaOHБ кисеньВ розчин KOHГ водень

22. Під час нагрівання та за наявності йонів Гідрогену одержали 60 г глюкози за рахунок гідролізу сахарози масою:

А 106 г Б 114 г В 122 г Г 134 г

267

23. Для нейтралізації аміноетанової кислоти кількістю речовини 0,6 моль використали розчин з масовою часткою натрій гідроксиду 20 %, густиною 1,20 г/мл та об’ємом:А 96 мл Б 100 мл В 104 мл Г 110 мл

24. Унаслідок виявлення амфотерних властивостей аміноетанова кислота масою 30 г вступила в реакцію з хлоридною кислотою з w(HCl) = 3 %, густиною 1,15 г/мл і об’ємом:А 42,3 мл Б 47,8 мл В 38,4 мл Г 51,6 мл

25. Унаслідок засвоєння рослиною 224 л (н. у.) карбон(IV) оксиду в ній утворився крохмаль масою:А 365 г Б 220 г В 320 г Г 270 г

Найважливіше в розділі 5Органічна хімія — це хімія сполук Карбону. Її також можна

вважати хімією вуглеводнів та їхніх похідних. Кількість органіч-них сполук у багато разів перевищує кількість неорганічних. Це зумовлено здатністю Карбону утворювати довгі ланцюги або ци-кли, а також кратні зв’язки. Майже всі органічні речовини мають молекулярну будову.

Основою будь-якої органічної молекули є карбоновий скелет, з яким можуть бути сполучені функціональні групи атомів, що визначають багато фізичних і хімічних властивостей речовини та її приналежність до певного класу. Сполуки того самого класу, що мають подібну будову, але відрізняються за складом на одну чи декілька груп —CH

2—, називають гомологами.

Атоми в молекулах органічних речовин сполучені хімічними зв’язками в певній послідовності відповідно до їхньої валентності. Валентність Карбону завжди дорівнює чотирьом. Будову молекули виражають структурною формулою, у якій хімічні зв’язки між атомами зображають рисками. Структурні формули вказують тільки на послідовність сполучення атомів у молекулі.

Вуглеводні складаються лише з двох хімічних елементів — Карбону та Гідрогену. Усі вони слабополярні сполуки, нерозчинні у воді. Вуглеводні із кількістю атомів Карбону не більш як чотири

268

за звичайних умов газоподібні, із кількістю атомів від С5 до С

17 —

рідини, а вище — тверді речовини. Насичені вуглеводні (алкани)

містять тільки одинарні зв’язки —C—C— , ненасичені — хоча б

один подвійний ( Ñ=Ñ ) чи потрійний (—СÞС—) зв’язок. Найпростіший вуглеводень — метан СН

4.

Ізомерія — це явище існування речовин з однаковим якісним і кіль кісним складом, що відрізняються будовою, а отже, фіз ич ни-ми і хімічними властивостями. Зі зростанням кількості ато мів Кар-бону кількість ізомерів збільшується. Загальна формула гомо логіч-ного ряду алканів C

nH

2n + 2, де n — це кількість атомів Карбону.

Насичені вуглеводні — інертні сполуки, вони реагують лише з активними речовинами — киснем і галогенами. Під час згорання насичених вуглеводнів виділяється велика кількість теплоти. То му головна галузь використання насичених вуглеводнів — енер ге ти-ка, а також промисловий синтез органічних сполук.

Етен та етин є першими членами гомологічних рядів нена-си чених вугле вод нів. У молекулі етену кратність зв’язку між атомами Карбону дорівнює двом, а в молекулі ети ну — трьом. Характерна властивість етену й етину — здатність вступати в реакції окиснення, гідрування, галогенування, а етену — і в реакції полімеризації.

Об’єми газів, що реагують між собою, за незмінної температури і тиску відносяться один до одного, а також до об’ємів утворених газоподібних речовин як невеликі цілі числа (закон об’єм них відношень Гей-Люссака).

Молекули ненасичених вуглеводнів здатні сполучатися між собою з утворенням полімерів. Етен H

2C = CH

2 називають моно-

мером, речовину (—CH2—CH

2—)

n — полімером, групу атомів

(—CH2—CH

2—), яка багато разів повторюється в складі поліме-

ру, — структурною ланкою, число n — ступенем полімеризації. Від значення n = 20–2000 залежить агрегатний стан та інші фі зичні властивості полімеру. Із ненасичених вуглеводнів добу-ва ють етиловий спирт, етанову кислоту, пластмаси, каучук. Основ ні природні джерела вуглеводнів — нафта, природний газ і кам’яне вугілля. Нафта складається переважно з насичених вуг леводнів, у результаті її перегонки отримують бензин, керо-син, ди зель не паливо, мастила. Головною складовою природного га зу є метан.

Спирти — це похідні вуглеводнів, у молекулах яких один або де кіль ка атомів Гідрогену заміщені на групу —OH.

269

Мета нол, етанол і гліцерол — безбарвні рідини, які змішуються з во дою в будь-яких співвідношеннях. Найпоширеніший спирт — ета нол С

2Н

5ОН, його отримують приєднанням води

до етилену або бродінням глюкози. Застосовують у хімічній, парфумерній і хар чо вій промисловості, у медицині. Метанол і етанол є отруй ними речовинами.

Хімічний зв’язок між атомами Оксигену та Гідрогену в групі —OH полярний, тому атом Гідрогену здатен відщеплюватися. Че-H полярний, тому атом Гідрогену здатен відщеплюватися. Че- полярний, тому атом Гідрогену здатен відщеплюватися. Че-. Че-рез це спирти виявляють кислотні властиво сті. Зі збільшенням кількості груп —OH кислотні властивості спиртів зростають. До найважливіших хімічних властивостей відносять здатність спир-тів зазнавати повного окиснення, вступати в реакції з активними металами, а гліцеролу — також з ос но ва ми, зокрема з купрум(ІІ) гідроксидом. Ця реакція є якісною на багатоатомні спирти.

Карбоновими кислотами називають похідні вуглеводнів, у яких один або декілька атомів Гідрогену заміщено на функціональну групу —COOH. До найпростіших насичених одноосновних карбо-нових кислот відносять метанову НСООН та етанову СН

3СООН,

до складу яких входить одна карбоксильна група —COOH. Що менше значення n у вуглеводневому радикалі, то більша сила кис-, то більша сила кис-лоти: метанова кислота сильніша, ніж її гомологи. Через це у вод- метанова кислота сильніша, ніж її гомологи. Через це у вод- Через це у вод-них розчинах кислоти виявляють сильніші кислотні властивості у порівнянні зі спиртами з такою самою кількістю атомів Карбону в молекулі.

Метанова й етанова кислоти — безбарвні речовини з характерним різким запахом, які змішуються з водою в будь-яких спів від но-шен нях. Розчини карбонових кислот надають лак мусу червоного кольору, дисоціюють на йони, проводять електрич ний струм. До найважливіших хімічних властивостей від носять їхню здатність взаємодіяти з металами, що стоять у витискувальному ряду до водню; з основними оксидами, лугами, спиртами.

Вищими (насиченими або ненасиченими) називають карбонові кислоти з кількістю атомів Карбону у вуглеводневому радикалі C

15 і вище. Серед вищих насичених карбонових кислот найбільше

значення має стеаринова кислота C17H

35COOH, а серед вищих не-, а серед вищих не-

насичених — олеїнова кислота C17H

33COOH.

Жири — це органічні речовини, утворені вищими моно кар бо-но ви ми кислотами та триатомним спиртом гліцеролом. Жири бувають твердими та рідкими. Усі вони легші за воду і в ній не розчиняються. Температуру плавлення жирів визначити чітко неможливо, оскільки вони здебільшого не мають постійного складу. Найважливішою хімічною властивістю жирів є їхня

270

здатність вступати в реакцію гідролізу. У реакцію гідрування, (приєднання атомів Гідрогену), вступають лише жири, які утворені залишками вищих ненасичених монокарбонових кислот. На цій реакції ґрунтується спосіб пере тво рен ня деяких рідких жирів на тверді. Жири містяться в м’ясі, рибі, молочних продуктах, насінні, плодах.

Молекули вуглеводів містять, крім атомів Карбону, атоми Гідрогену й Оксигену. Загальна формула вуглеводів — C

m(H

2O)

n.

Вони утворюються в рослинах у результаті фотосинтезу. Окиснення вуглеводів — одне з основних джерел енергії живих організмів. Вуглеводи поділяють на моносахариди (глюкоза, фруктоза) та полісахариди (сахароза, крохмаль, целюлоза). Молекулярні формули глюкози та фруктози — C

6H

12O

6, сахарози — C

12H

22O

11,

крохмалю й целюлози — (C6H

10O

5)n.

Сахароза — одне з головних джерел вуглеводів у їжі лю-ди ни. У кислотному середовищі або під дією ферментів вона перетворюється на молекули глюкози та фруктози.

Молекули крохмалю неоднакові за структурою та розмірами: вони можуть бути лінійними й мати молекулярну масу кілька сотень тисяч або розгалуженими з молекулярною масою кілька мільйонів. Реакція між крохмалем і йодом, яка відбувається з утворенням речовини синього кольору, є якісною на обидві речовини. Крохмаль не розчиняється у воді, але в гарячій воді набухає та утворює крохмальний клейстер. В організмі людини крохмаль під дією ферментів зазнає гідролізу й перетворюється на глюкозу. Крохмаль застосовують у виробництві антибіотиків, вітамінів та в медицині.

Целюлоза нерозчинна у воді, але внаслідок повного гідролізу за умови нагрівання або наявності кислот перетворюється на глюкозу. Молекули целюлози не бувають розгалуженими, вони переплітаються між собою, утворюючи волокна.

Глюкозу застосовують у медицині, кондитерському виробництві, бавовняній промисловості. В організмі людини глюкоза є основним джерелом енергії. Сахарозу добувають на заводах із цукрових бу-. Сахарозу добувають на заводах із цукрових бу-ряків, використовують головним чином у харчовій промисловості. Целюлозу у вигляді деревини використовують як будівельний ма-теріал, у складі волокнистих матеріалів — для виготовлення ка-натів, тканин, паперу, штучних волокон, пластмаси, лаків тощо.

Аміноетанова кислота — це органічна сполука, яка має у своєму складі дві функціональні групи: аміногрупу H

2N— та карбоксильну

групу —COOH. Через це вона виявляє подвійні хімічні властиво-сті — основні та кислотні, тобто є амфотерною сполукою.

271

Молекули амінокислот можуть реагувати між собою, утворюю-чи пептиди, у яких залишки амінокислот сполучені пептидними зв’язками. Природні поліпептиди називають білками.

Білками називають високомолекулярні сполуки, які скла да-ють ся із залишків молекул амінокислот, що сполучені між со-бою пептидними зв’язками у певній послідовності. Це хімічний

зв’язок між групою атомів OC

———— однієї молекули амінокислоти

та групою атомів —NH іншої молекули. Властивості білків залежать від їхнього амінокислотного скла ду та від того, у якій послідовності амінокислоти сполучені в по лі пеп тидному ланцюзі. Первинна структура білків виз на ча єть ся послідовністю чергування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі. Вторинна структура білків — це форма поліпептидного ланцюга, згорнута у спіраль. Гідроліз білків відбувається під час їх нагрівання за наявності лугів або кислот, а також під дією ферментів. Продуктом гідролізу білків є насамперед амінокислоти. Денатурація білків — це процес руйнування їхньої просторової структури зі зберіганням первинної структури. Кольорові реакції на білки — це біуретова та ксатопротеїнова ре акції. За участі білків регулюються найважливіші властивості живого організму.

Нуклеїнові кислоти (полінуклеотиди) — біополімери, які здій-сню ють зберігання та передання генетичної інформації у всіх живих організмах, а також беруть участь у біосинтезі білків.

272

Розділ 6Узагальнення знань з хімії

§ 63. Будова речовини. Багатоманітність речовин і хімічних реакцій. Взаємодія між речовинами та їхні взаємоперетворення

У цьому параграфі ви повторите:•щотакепростііскладніречовини,металиінеметали;•якподіляютьскладніречовини;•відомостіпровзаємніперетворенняречовин.

Хімія — це наука про властивості хімічних елементів та їхніх сполук і про закономірності перетворення речовин.

Будова речовин. Речовина — це одна з основних форм існування матерії. Частинками, що входять до складу речовин, є атоми і молекули. Усі речовини — це сполуки хімічних елементів, які являють собою певні типи атомів.

За будовою речовини відрізняються одна від одної елементним складом, тобто відносним вмістом у молекулі або кристалі атомів певного типу, їхнім взаємним розташуванням, а також загальним числом атомів у молекулі.

Тверді речовини бувають кристалічними та аморфними.Кристалічними називають тверді речовини, для яких харак-

терне суворо упорядковане розташування частинок, що утворюють цю речовину та коливаються відносно деяких точок рівноваги.

Аморфними називають речовини, у яких немає суворо упо ряд-ко ваного розташування частинок. За внутрішньою будовою вони подібні до рідин, які мають дуже високу в’язкість.

Характерною особливістю будови кристалічних речовин є неод-наковість їхніх механічних, теплових, електричних, оптичних влас тивостей за різними напрямками. Наприклад, якщо з ку-біч ного кристалу натрій хлориду вирізати два бруски: один пер-пендикуляр но до граней куба, другий по діагоналі однієї із гра-ней — та дослідити їх на розрив, то для розриву другого бруска зна до биться сила, удвічі більша, ніж для розриву першого бруска.

Іншою особливістю кристалічних речовин, яка відрізняє їх від аморфних, є суворо визначена температура плавлення.

273

Кристалічні ґратки розрізняють за характером частинок у вуз-лах і за характером зв’язку між ними.

Йонні кристалічні ґратки містять у вузлах йони з протилежним знаком. Зв’язок між ними не має специфічної направленості й обумовлений їхньою електростатичною взаємодією.

Молекулярні кристалічні ґратки містять у вузлах молекули речовин ковалентної природи, тобто таких, що складаються з ато-мів, сполучених один з одним ковалентними зв’язками. Для ре-човин з молекулярними кристалічними ґратками властиві не-ве лика механічна міцність, досить значна леткість та низькі температури плавлення.

Атомні кристалічні ґратки містять у вузлах атоми багато-валентних елементів, які сполучені один з одним міцними ковалентними зв’язками. Такі кристалічні ґратки характерні для невеликої кількості речовин: вуглецю, силіцію, германію, бору. Атомним кристалам притаманні дуже велика твердість і висока температура плавлення.

Багатоманітність речовин і хімічних реакцій. Хімічні елементи утворюють велику кількість простих і складних речовин (схема 15). Прості речовини складаються з атомів одного елемента, а складні — з атомів двох або більшої кількості елементів.

Прості речовини, своєю чергою, залежно від типу хімічного зв’язку між їхніми атомами, поділяють на метали та неметали. У металів тип хімічного зв’язку між атомами — металічний, у не-— металічний, у не- металічний, у не-, у не-металів — ковалентний. Серед відомих на цей час 118 елементів 83 є металами.

Хоча прості речовини побудовані з атомів тільки одного еле мен-та, той самий елемент може утворювати декілька простих речовин.

Схема 15

Ðå÷îâèíè Ñóì³ø³ ðå÷îâèí

Ïðîñò³ ðå÷îâèíè

Ñêëàäí³ ðå÷îâèíè

Îäíîð³äí³ñóì³ø³

Íåîäíîð³äí³ñóì³ø³

Ìåòàëè Íåìåòàëè

Íåîðãàí³÷í³ñïîëóêè

Îðãàí³÷í³ñïîëóêè

274

Складні багатоелементні речовини поділяють:

• за кількістю елементів, що входять до їхнього складу, на групи: бінарні (HCl) та інші (K

2CO

3, NaHSO

4);

• за хімічними властивостями в хімічних реакціях на класи: оксиди, кислоти, основи, амфотерні гідроксиди, солі. Цю кла си-фі кацію неорганічних речовин розробили видатні хіміки XVIII—XIX cт. А. Л. Лавуазьє, М. В. Ломоносов, Й. Я. Берцеліус, Дж. Дальтон;на вуглеводні, спирти, карбонові кислоти, жири, білки, вуглеводи тощо у разі органічних речовин.Взаємозв’язки між речовинами та їхні взаємоперетворення

відображають у вигляді рівнянь хімічних реакцій. Розглянемо перетворення, наприклад, сполук Феруму в прямо-, наприклад, сполук Феруму в прямо-

му і зворотному напрямках:FeSO

4 → FeCO

3 → FeCl

2 → Fe(OH)

2 → Fe(NO

3)2 — прямі

перетворення;Fe(NO

3)2 → Fe(OH)

2 → FeCl

2 → FeCO

3 → FeSO

4 — зворотні

перетворення.Прямі перетворення охарактеризуємо такими рівняннями

реакцій:1) FeSO

4 + Na

2CO

3 = FeCO

3 ↓ + Na

2SO

4

2) FeCO3 + 2HCl = FeCl

2 + 2H

2O + CO

2 ↑

3) FeCl2 + 2NaOH = Fe(OH)

2 ↓ + 2NaCl

4) Fe(OH)2 + 2HNO

3 = Fe(NO

3)2 + 2H

2O

Зворотні перетворення можна подати такими хімічними рівняннями:

1) Fe(NO3)2 + 2NaOH = Fe(OH)

2 ↓ + 2NaNO

3

2) Fe(OH)2 + 2HCl = FeCl

2 + 2H

2O

3) FeCl2 + Na

2CO

3 = FeCO

3 ↓ + 2NaCl

4) FeCO3 + H

2SO

4 (розв.) = FeSO

4 + H

2O + CO

2 ↑

Запитання та завдання 1. Що таке речовина? 2. Як класифікують тверді речовини? 3. Які речовини називають: а) кристалічними; б) аморфними? 4. Як класифікують кристалічні речовини за типом кристалічних

ґраток? 5. Який тип кристалічних ґраток називають: а) йонним; б) молекуляр-; б) молекуляр-

ним; в) атомним; г) металічним? 6. Як називають речовини, що складаються з атомів лише одного

елемента? 7. Як поділяють прості речовини залежно від виду хімічного зв’язку

між атомами?

275

8. Чи може той самий елемент утворювати кілька простих речовин? Чим це обумовлено? Наведіть приклади.

9. За яким фактором складні речовини поділяють на класи? 10. Які класи неорганічних речовин є найважливішими? 11. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі

перетворення: а) CuCl

2 → Cu(OH)

2 → CuSO

4 → Cu → CuO → Cu(NO

3)2;

б) N2 → NH

3 → (NH

4)2SO

4 → NH

4Cl → NH

3 → (NH

4)3PO

4 → NH

4Cl;

в) Na → NaOH → NaHCO3 → Na

2CO

3 → NaCl → NaNO

3.

12. Як із кальцій карбонату добути барій карбонат? Складіть рівняння реакцій.

13. Як отримати кальцій хлорид із кальцій нітрату, використовуючи калій карбонат і хлоридну кислоту? Складіть рівняння реакцій.

14. Як із купрум(ІІ) нітрату отримати купрум(ІІ) хлорид? Напишіть рів-(ІІ) нітрату отримати купрум(ІІ) хлорид? Напишіть рів-купрум(ІІ) хлорид? Напишіть рів-(ІІ) хлорид? Напишіть рів-няння реакцій.

15. Запропонуйте три способи отримання карбон(ІІ) оксиду (вуглекислого газу).

16. Визначте ланку, якої бракує в ланцюжку, що характеризує гене-тичний зв’язок речовин:

а) S → ? → H2SO

3 → CaSO

3;

б) Fe → Fe2O

3 → Fe(OH)

3;

в) Са → ? →? → Ca(NO3)2;

г) SO + H O ? ? ?;3 2

+ Mg + NaOH

→ → →

ґ) Mg(OH) ? ? ? ?2

+ HCl + KOH + H SO2 4tº→ → → →

*17. Нижче наведено пари речовин:

а) оксид металічного елемента та водень; проста речовина та кисень; активний метал і кислота;

б) основний оксид і вода; кислотний оксид і вода; основний оксид і кислота;

в) основа та кислота; основний і кислотний оксиди; кислотний оксид і луг;

г) сіль і луг; сіль і кислота; сіль і сіль.

Речовини яких класів утворюються в результаті їхньої взаємодії? Наведіть приклади.

*18. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення речовин:

крохмаль → глюкоза → карбон(IV) оксид → глюкоза.

276

§ 64. Місце хімії серед наук про природу, її значення для розуміння наукової картини світу. Хімія та екологія

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•якемісцепосідаєхіміясереднаукпроприроду;•щоєосновоютехнологічнихпроцесівнайважливішихгалузейважкої інду-стрії;•якурольвідіграютьхімічнізнанняувирішенніекологічнихпроблемлюдства.

Хімія відіграє провідну роль серед природничих наук за своїм значенням в економіці

та в нашому повсякденному житті… Без неї не відбуваються чудеса техніки,

досягнення медицини, опанування космосу.Жан­Марі Лен,

лауреат Нобелівської премії

Місце хімії серед природничих наук. Хімія посідає центральне місце серед наук про природу, оскільки вона поєднує абстрактні фізичні та хімічні уявлення з біологічними й геологічними процесами, явищами живої та неживої природи. Багато хімічних перетворень відбувається під дією фізичних факторів, а саме — теплоти, електричного струму, випромінювання тощо. Біологічні зміни обумовлені послідовними хімічними реакціями. Деякі фізичні явища — електричний струм у гальванічному елементі, теплота, що виділяється під час згорання речовин, також є ре-зуль татом хімічних процесів.

У багатьох галузях важкої індустрії основою технологічних процесів є хімічні реакції. Це виробництво мінеральних добрив, хімічних засобів захисту рослин, хімічних волокон, синтетич-, синтетич-них смол, лаків і фарб, синтетичних мийних засобів. Продукти переробки нафти, лікарські препарати та вибухові речовини, каучук, гума, каталізатори, а також основні хімічні сполуки — сульфатна та нітратна кислоти, амоніак, етанол, етилен — добу-вають у результаті різноманітних хімічних процесів.

Знання з хімії необхідні всім людям, незалежно від їхнього фаху. Без цих знань неможливе, по-перше, формування наукового світогляду. По-друге, ці знання забезпечують раціональну по-ведінку людини, а в багатьох випадках і елементарну безпеку в повсякденному житті та діяльності в усіх галузях виробництва, навіть не пов’язаних безпосередньо з хімією. По-третє, знання з хімії є основою екологічних знань, необхідних для збереження природного середовища.

277

Екологічні проблеми. Розвиток промисловості та транспорту, збільшення чисельності населення, інтенсифікація сільського господарства (використання добрив, засобів захисту рослин), поховання небезпечних хімічних речовин на дні морів та оке-а нів, відходів атомних електростанцій — усе це джерела гло-бального забруднення природного середовища (ґрунтів, води, повітря), яке постійно зростає. У біосфері понад мільйон хі-міч них сполук антропогенного походження: оксиди Карбону, Сульфуру, Нітрогену, сполуки Плюмбуму, Берилію, Меркурію, органічні речовини, гербіциди, пестициди, нітрати, а також продукти їхньої взаємодії під дією сонячного світла. Із 6 тисяч цих речовин 1,5 тисячі канцерогенно активні. У найбільших міс тах України — Києві, Донецьку, Харкові та Одесі — за бруд-нення повітряного басейну в десять разів перевищує мак си-маль но допустимі норми.

Як бачимо, хімія та екологічні проблеми взаємопов’язані. Але хі мічна промисловість у забрудненні навколишнього сере до вища поступається металургії та теплоенергетиці. Водночас хі міч ні знання та технології відіграють практично головну роль у ви рі-шен ні сучасних і майбутніх екологічних проблем незалежно від дже рел їхнього виникнення.

Головними напрямками вивчення та розв’язання екологічних проблем за допомогою хімії є:

• аналітичний контроль стану навколишнього середовища, щоб уміст шкідливих речовин у воді або повітрі не перевищував гранично допустимих концентрацій (ГДК) — мінімальних кон-цен трацій, що за умови щоденного впливу на організм про-тя гом необмежено тривалого часу не спричиняють будь-яких захворювань, які можна виявити сучасними засобами дос лід-жень;

• оцінка канцерогенної та мутагенної активності хімічних ре-човин;

• створення мало- і безвідходних виробництв, енерго- і ресур со-зберігальних технологій;

• очищення та переробляння стічних вод, вихлопних газів і твер-дих відходів.Роль хімії у вирішенні екологічних проблем, в охороні по віт-

ря ного басейну та водойм полягає як у знищенні та очищенні відходів, так і в створенні безвідходних технологій. Розвиток вітчизняної економіки потребує продуманого та обережного вирішення екологічних проблем.

278

Задача хімії — зробити все можливе, щоб викиди в навколишнє середовище шкідливих хімічних речовин були мінімальними і відповідали встановленим нормам. У промисловому виробництві часто доводиться, наприклад, видаляти у відходи сульфур(IV) оксид, гідроген сульфід, нітроген оксиди, карбон(ІІ) і карбон(ІV) оксиди тощо. Металургійні заводи протягом року викидають у по-ощо. Металургійні заводи протягом року викидають у по-. Металургійні заводи протягом року викидають у по-протягом року викидають у по-викидають у по-вітря мільйони тонн сульфур(ІV) оксиду. У повітрі ці речовини реагують з водою та випадають у вигляді кислотних дощів (атмо-сферних опадів). Навіть невеликі їх концентрації у повітрі, воді, ґрунтах спричиняють згубну дію на рослини, отруюють організм людини та тварин, руйнують архітектурні споруди й пам’ятки (рис. 56). Необхідно уловлювати також викиди в атмосферу части-56). Необхідно уловлювати також викиди в атмосферу части-нок виробничого пилу, які іноді містять свинець та інші отруйні метали.

Потрібен суворий контроль за роботою атомних електростанцій і надійне заховання відходів.

Гострою та невідкладною екологічною задачею хіміків в Україні є розробка найсучаснішої хімічної безвідходної технології. Зовсім неприпустимо, наприклад, що під шлаком та попелом, накопиченими тепловими електростанціями, перебуває біля 25 тисяч гектарів цінних родючих ґрунтів. Неможливо миритися з тим, що ці відходи не використовуються і тому щороку збільшуються.

Дуже важливою задачею хімічної науки в Україні є вико рис-тання вторинної сировини. Так, під час добування алюмінію з ме-та лобрухту витрати енергії зменшуються у 23 рази, а умовного па лива — у 7,4 раза порівняно з добуванням його з руди.

Міста без відходів — нагальна потреба сучасності. Чисті атмо-сфера й космос, води, ліси, луки та поля, краса і цілісність при-роди — це здоров’я всього живого на Землі, яке має вічну цінність і тому повинно бути збережено для нащадків.

Існування людства неможливе без широкого спектру продуктів, які можна добути лише за допомогою хімічних технологій. І хоча

Рис. 56. Згубна дія кислотних дощів:

а — на природу; б — на пам’ятки архітектури

279

з хімією часто пов’язують не тільки забруднення довкілля, яким супроводжуються багато промислових процесів, а й створення хімічної зброї, наркотиків та інших сумнівних «досягнень», це не привід відмовлятися від здобування та застосування хімічних знань. Самі по собі вони не можуть бути поганими чи хорошими. Хімічне знання — це могутнє знаряддя, а результат його вико-рис тання залежить від того, у чиїх руках воно опиняється. Скориставшись тими самими законами, можна винайти нову технологію синтезу шкідливих речовин, а можна розробити но ві лікарські препарати чи новий будівельний матеріал. Тому важ-ли вого значення набуває особистість людини: хімією повинні займатися лише високоосвічені, глибоко порядні та інтелектуально розвинуті професіонали.

Запитання та завдання

°1. Яке місце серед наук про природу посідає хімія? Чому? °2. На чому ґрунтуються технологічні процеси в багатьох галу-

зях важкої індустрії?

°3. Чому знання хімії необхідне людині незалежно від її фаху?

°4. Що відносять до джерел глобального забруднення природного сере-довища?

°5. Якими є головні напрямки вивчення та розв’язання екологічних проблем за допомогою хімії?

6. Які шкідливі газоподібні речовини викидаються в атмосферу промис-ловими підприємствами та металургійними заводами?

7. Упровадження якої хімічної технології є актуальною задачею хіміків України?

8. Взаємозв’язок усього живого на Землі з фізичними та біологічними факторами навколишнього середовища вивчає:

а) палеонтологія; в) екологія; б) генетика; г) цитологія.

9. Кількість отруйної речовини в навколишньому середовищі, яка не повинна негативно впливати на здоров’я людини внаслідок по стій-ного чи тимчасового контакту з нею, називають:

а) гранично допустимі викиди; б) гранично допустима концентрація; в) промисловий викид; г) залповий викид.

10. Відходи виробництва необхідно: а) використовувати як сировину для іншого виробництва; б) викидати в атмосферу, водойми, ґрунт; в) спалювати; г) захороняти.

280

11. Двигун легкового автомобіля викидає в повітря 400 г карбон(ІV) оксиду на кожен кілометр шляху. Скільки кубічних метрів (н. у.) CO

2 викидає двигун за один день, якщо середньорічний пробіг

автомобіля становить 20 тис. км? 12. Кожні 10 км шляху з вихлопними газами вантажівки в атмосферу

потрапляє 700 г карбон(ІІ) оксиду та 70 г нітроген(ІІ) оксиду. Яким буде об’єм (н. у.) цих шкідливих речовин у разі перевезення вантажу на відстань 250 км двома автомобілями?

13. В 1 л бензину міститься 770 г Карбону. Скільки карбон(ІV) окси-. Скільки карбон(ІV) окси-V) окси-) окси-ду викидає в атмосферу автомобіль у результаті спалювання 1 л бензину?

14. Для боротьби з фітофторою в сільському господарстві застосовують розчин мідного купоросу. Для цього зазвичай готують розчин купрум(ІІ) сульфату з масовою часткою 1,5 % для обробки ґрунту і рослин. Обчисліть масу CuSO H O,4 25æ потрібну для приготування 20 л такого розчину.

15. Для засолювання огірків використовують розчин з масовою часткою w(NaCl) = 7 %. Обчисліть масу солі та об’єм води, необхідні для при готування 5 л такого розчину, якщо його густина становить 1,048 г/мл. Визначте молярну концентрацію NaCl у цьому розчині. Пам’ятайте, що саме такий розчин стримує розвиток хвороботвор них мікробів і водночас не перешкоджає процесам молочнокислого бро-діння.

16. Людина в процесі своєї життєдіяльності користується мінеральною газованою водою. Яку масу вуглецю треба перетворити на CO

2, щоб

одержати 1 л такої води з масовою часткою CO2 2 % і густиною

ρ = 1 г/мл? 17. Установлено, що за вегетаційний період дерево, що має на собі 10 кг

листя, може знешкодити 500 г сульфур(ІV) оксиду та 250 г хлору. Який об’єм (н. у.) указаних газів може знешкодити одне таке дерево, якщо густина цих газів відповідно дорівнює 1,462 г/мл та 1,557 г/мл?

18. Накопичення вуглекислого газу в атмосфері стає небезпечним, оскільки призводить до парникового ефекту. Який об’єм (н. у.) CO

2

потрапляє до атмосфери в результаті спалювання 100 г поліетилену (100 використаних пакетів)?

19. Нітроген входить до складу білків та нуклеїнових кислот. Атмо-сфера — невичерпне джерело азоту, однак основна частина живих організмів не може безпосередньо використати цей азот: він має бути попередньо зв’язаним у вигляді хімічних сполук. Існують нітрогенфіксувальні бактерії, здатні поглинати азот повітря та пере-творювати його на доступну для рослин форму. За допомогою цих бактерій конюшина може накопичувати за сезон 160 кг/га Нітрогену. Який об’єм повітря в кубічних метрах (н. у.) містить таку саму масу Нітрогену в перерахунку на азот?

281

§ 65. Хімічна наука й виробництво в Україні

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:•щоєнауковоюосновоюхімічноговиробництва;•наякихпроцесахґрунтуєтьсяхімічневиробництво;•наякихпринципахґрунтуєтьсяхімічнатехнологія.

Хімія як наука виникла понад 250 років тому, у результаті визначення складу і будови речовин, залежності властивостей від складу та будови, умов і механізмів перебігу хімічних реакцій. Це дало можливість не тільки розкрити зміст і сутність хімічних процесів, а й навчитися управляти синтезом нових матеріалів і джерел енергії. Полімерні матеріали, пластичні маси, хімічні джерела енергії (гальванічні елементи, акумулятори, паливні елементи) були створені в результаті успіхів теоретичної хімії (хімічної теорії будови органічних сполук і теорії окисно-відновних процесів), а також техніки.

Українська наукова спільнота досягла важливих успіхів у ство-ренні ще складніших хімічних систем — сплавів, на пів про-відникових композицій, елементоорганічних сполук, біологічно активних сполук і сполук, які розкривають природу життя.

Сучасне життя неможливо уявити без хімічного перетворення при-родних речовин, яке прийшло на зміну механічному перетворенню. Щорічно вчені одержують велику кількість речовин, невідомих у природі, але з виключно цінними властивостями, наприклад деякі види полімерів, лікарських препаратів, сплавів тощо.

Використання хімічних реакцій у виробничих процесах доз воляє значно підвищити продуктивність праці та якість про дук ції, одержати нові матеріали. Прикладом є використання електрохімічного обробляння металів у машинобудуванні, фі зи ко-хімічних методів одержання напівпровідників і мікросхем в електротехніці, мік ро-елек тро ніці, радіо- та обчислювальній техніці.

Розуміння законів хімії та їх використання важливі для під-вищення ефективності виробництва та якості продукції, через те що в багатьох випадках погіршення якості та надійності продукції викликано небажаними хімічними процесами, а саме корозією металів, старінням полімерів тощо. Вивчення механізмів хімічних реакцій дозволяє вибрати раціональні методи охорони навколиш-нього середовища, створити нові, нешкідливі технологічні процеси.

Одна з найважливіших задач хімічної науки — підвищення про-дуктивності сільського господарства. Необхідно розробити шляхи не тільки для значного збільшення об’єму виробництва добрив,

282

а й для підвищення середнього вмісту в них поживних елементів (Нітрогену, Фосфору, Калію).

Завдяки хімічній науці в Україні налагоджено виробництво розчинників, отрутохімікатів, мийних засобів, лікарських препа-, лікарських препа-ратів, полімерних матеріалів.

Розвинута переробка горючих копалин: нафти, природного газу, кам’яного вугілля, унаслідок чого є різні сорти рідкого палива, мастильних та інших матеріалів.

Переробляють сільськогосподарську продукцію на харчові про-дукти: маргарин, патоку, цукор.

Хімічну переробку деревини здійснюють з метою виробництва целюлози, необхідної для одержання паперу, картону, глюкози, етанолу, етанової кислоти та деяких інших продуктів.

Завдяки тонкому органічному синтезу в Україні налагоджено виробництво численних духмяних речовин, фото- і кіноматеріалів.

Науковою основою хімічного виробництва, тобто хімічної проми-словості, є хімічна технологія — наука про методи та засоби хі-мічної переробки сировини в предмети споживання та засоби ви-робництва.

Хімічна технологія — це своєрідний місток, який сполучає хімію з виробництвом. Навіть великі наукові відкриття зали ша-ють ся нереалізованими на практиці, якщо на їхній основі не буде розроблена й упроваджена у виробництво прийнятна технологія.

У сучасному хімічному виробництві широко використовують такі науково­технологічні принципи: неперервність процесів, утилізація теплоти реакції, комплексне використання сировини й відходів виробництва.

Хімічні процеси бувають безперервними, періодичними та циркуляційними. У безперервних процесах вихідна сировина безперервно подається в реакційний апарат, а продукти хімічної взаємодії виводяться з апарату. Цей принцип використовують у виробництві чавуну, сульфатної кислоти, синтезі амоніаку.

У періодичному процесі стадії змішування речовин, що реагують, їхня хімічна взаємодія та виділення продуктів реакції відбуваються одна за одною та періодично повторюються через певні проміжки часу. Періодичні процеси використовують у виробництві сталі, хлоридної кислоти, багатьох органічних барвників, вибухових речовин.

У сучасній хімічній промисловості прагнуть, де це можливо, перейти від періодичних до безперервних способів виробництва. Наприклад, періодичній спосіб виробництва аніліну (феніламіну) C

6H

5NН

2, який полягав у відновлені нітробензолу C

6H

5NO

2 суміш-

283

шю чавунної стружки з хлоридною кислотою, замінили безперерв-ним способом — каталітичним гідруванням нітробензолу воднем.

У циркуляційному процесі, який іще називають циклічним, ре-акційна суміш, що виходить з реактора, розділяється. Вихідні суміші, що не прореагували після збагачення реагентами, повер-таються в реактор. Це сприяє повнішому використанню сировини та дає можливість раціональніше, тобто в більш повному обсязі, використати сировину.

Принципи, на яких ґрунтується хімічне виробництвоПринцип протитоку. Протитоком називають протилежно на-

прав лений рух речовин, що взаємодіють. Протиток застосовують для реалізації оптимальних умов масо- і теплообміну, наприклад у виробництві сульфатної кислоти.

Принцип киплячого шару. Щоб ство-рити киплячий шар, га зо подібні реа-генти продувають крізь отвори внизу апарату, а тверді вихідні речовини в ньому, так би мовити, киплять, тобто весь час перебувають у завислому стані (рис. 57). Цей принцип у хімічній про мис ловості широко застосовують для ін тенсифікації гетерогенних про-це сів — процесів за участі речо вин з різ ним агрегатним станом, на прик-лад у виробництві сульфатної кис лоти (ви пал піриту FeS

2), крекінгу наф ти —

тер мічному розкладанні вугле воднів, що вхо дять до її складу, до низько мо-ле ку ляр них:

C H C H C H8 18 4 10 4 8t→ +

Принцип утилізації теплоти реакції. Використання теплоти, що виділяється під час хімічних реакцій, для підігрівання вихідної сировини або подальшої теплової обробки утворених продуктів дозволяє різко скоротити виробничі енергетичні витрати. На при-клад, у виробництві чавуну в домну подають повітря, нагріте за ра ху нок теплоти хімічних реакцій.

Принцип використання виробничих відходів. Перетворення від хо дів на побічні продукти виробництва дозволяє повніше використати сировину, що, своєю чергою, знижує собівартість продукції і запобігає забрудненню навколишнього середовища. Наприклад, із поліметалічних руд (FeS

2, CaS, NiS, ZnS, CdS та ін.)

Ãàç

Ãàç

Òâåðäàôàçà

Òâåðäàôàçà

Òâåðä³÷àñòèíêè

Áóëüáàøêèãàçó

Ðîçïîä³ëüíèêïîòîêó ãàçó

Рис. 57. Схема реактора з киплячим шаром

284

в результаті комплексної переробки одержують кольорові метали, сірку, сульфатну кислоту та ферум(ІІІ) оксид для виплавляння чавуну.

Організація хімічного виробництва — процес дуже трудомісткий. Необхідно вирішувати багато проблем, пов’язаних з вибором си-ро ви ни і способів її підготовки, визначати оптимальні фізико-хімічні параметри хіміко-технологічного процесу (температура, тиск, застосування каталізатора тощо).

Сучасне хімічне підприємство характеризується високим сту пе-нем автоматизації.

Основні поняття. Хімічна технологія. Безперервні, періодичні та циркуляційні процеси.

Запитання та завдання 1. Що є науковою основою хімічного виробництва? 2. Що розуміють під поняттям «хімічна технологія»? 3. Які науково-технологічні принципи використовують у су-

час ному хімічному виробництві? 4. Якими бувають хімічні процеси? 5. У чому полягає сутність безперервного, періодичного та цирку ля-

ційного процесів у сучасній хімічній промисловості? 6. На яких принципах ґрунтуються сучасні хімічні технології? 7. У чому полягає сутність принципу: а) протитоку; б) киплячого шару;

в) утилізації теплоти реакції; г) використання виробничих відходів?

Найважливіше в розділі 6Прості речовини — це метали і неметали. Складні речовини — оксиди, кислоти, основи, солі, спирти, кар-, спирти, кар-

бонові кислоти, жири, білки, вуглеводи тощо. Речовини відрізня-ються складом і властивостями.

Хімічні знання необхідні всім людям незалежно від їхнього фаху.

Хімічна промисловість — найважливіша галузь важкої ін-дустрії. У біосфері перебуває близько 1 млн отруйних речовин. Розв’язання проблем збереження та охорони природи можливе лише за допомогою хімії.

Хімічні процеси бувають безперервними, періодичними та цир-куляційними.

Хімічна технологія — наукова основа хімічного виробництва. Хімічна технологія ґрунтується на науково-технологічних прин-ципах протитоку, киплячого шару, утилізації теплоти реакції і комплексного використання сировини й відходів виробництва.

285

ПРАКТИКУМ

Перед виконанням кожного досліду уважно прочитайте його опис, знайдіть відповіді на поставлені запитання у відповідних параграфах підручника. Під час роботи дотримуйтесь правил без-пеки, а після її закінчення не забудьте прибрати за собою робоче місце й вимити посуд.

Правила безпеки під час роботи в лабораторії• Не чіпайте речовин і посуду та не беріться до роботи без дозволу вчителя.• Не змішуйте невідомі вам речовини.• З усіма речовинами в лабораторії поводьтеся як з отруйними, навіть якщо вони не є такими.• Для ознайомлення із запахом речовини тримайте склянку на відстані 15–20 см від обличчя та легкими рухами руки спрямовуйте повітря від отвору посудини на себе.• Не наливайте й не перемішуйте реактиви поблизу обличчя. Під час нагрівання треба спрямовувати отвір пробірки убік від себе та сусідів.• У разі потрапляння їдких речовин на шкіру необхідно негайно змити їх під сильним струменем води. Якщо на шкіру потрапила кислота, місце опіку необхідно обробити слабким розчином соди, а у випадку потрапляння лугу — слабким розчином борної або оцтової (етанової) кислоти.• Якщо кислота або луг потрапили в очі, необхідно негайно про-мити їх під струменем води, нахилившись над раковиною.• Для розведення концентрованої сульфатної кислоти доливайте її тоненьким струмочком у воду, постійно перемішуючи.• Усі досліди з хлором та бромом проводьте під витяжною шафою. Остерігайтеся вдиху хлору або пари брому. Якщо це сталося, понюхайте розведений розчин амоніаку та вийдіть на свіже повітря. У разі опіку бромом обробіть уражене місце концентрованим розчином натрій тіосульфату Na

2SO

3S.

• У разі опіку запаленим фосфором негайно обробіть обпечену шкіру розчином калій перманганату KMnO

4 та зверніться до

лікаря.• У разі термічного опіку шкіру треба обробити етанолом або протиопіковою маззю. Якщо опік сильний, необхідно звернутися до лікаря.• Не можна нагрівати на відкритому полум’ї посуд із товстого скла.

286

• Горючі рідини (спирт, естер, бензин, ацетон та ін.) можна на-, бензин, ацетон та ін.) можна на-грівати лише на плитках із закритою спіраллю, що розташовані на відстані понад 2 м від полум’я.• Не кидайте в раковину фільтрувальний папір, вату, скло з розбитого посуду.

Практична робота 1Приготування розчину солі з певною масовою часткою розчиненої речовиниРеактиви: натрій хлорид, вода.Обладнання: технохімічні терези, важки, годинникове скло,

хімічний стакан на 150 мл, скляна паличка, шпатель, мірний циліндр, ареометр.

Мета роботи: навчитися готувати розчини солі із заданою масовою часткою.

Хід роботи1. Обчисліть масу сухого натрій хлориду та масу води, які

необхідно взяти для приготування 100 г розчину з масовою часткою w(NaCl) = 6 %.

2. Зважте необхідну масу солі на технохімічних терезах (на годинниковому склі). Порцію речовини, масу якої визначено зважуванням, називають наважкою.

На ліву шальку терезів покладіть годинникове скло, урівно-, урівно-важте його важками, поміщаючи їх пінцетом на праву шальку. Потім на праву шальку терезів помістіть важки, загальна маса яких відповідає розрахованій масі наважки. На годинникове скло насипайте сіль, поки не встановиться рівновага.

3. Потрібну кількість води, так само як і інших рідин, зручно не зважувати, а відмірювати мірним посудом. Оскільки густина води за кімнатної температури дорівнює близько 1 г/мл, то 1 г води займає об’єм 1 мл. Відміряйте мірним циліндром необхідний об’єм води. Помістіть наважку солі в стакан, потім обмийте туди ж годинникове скло водою з мірного циліндра й перелийте в цей самий стакан залишок води. Розмішуйте рідину в стакані скляною паличкою, поки вся сіль не розчиниться.

4. Перевірку правильності виконання роботи здійснюють за допомогою ареометра. Перелийте приготований розчин у сухий мірний циліндр того самого діаметра, щоб ареометр не торкався внутрішньої стінки циліндра. Обережно зануріть у розчин ареометр. Запишіть покази ареометра. Вимірювання повторіть

287

тричі й візьміть середнє значення густини. Якщо відхилення невелике (наприклад, дослідне значення 1,039 або 1,043), то дослід з приготування розчину виконано правильно.

Масова частка NaCl

у розчині, %

Густина розчину,

г/мл

Масова частка NaCl

у розчині, %

Густина розчину,

г/мл

2 1,012 7 1,048

3 1,019 8 1,056

4 1,026 9 1,063

5 1,034 10 1,071

6 1,041 11 1,078

Практична робота 2Приготування розчину солі із заданою молярною концентрацією розчиненої речовиниРеактиви: натрій нітрат, вода.Обладнання: технохімічні терези, важки, годинникове скло,

шпатель, лійка, мірна колба на 50 мл.Мета роботи: набути навичок приготування розчину солі із

заданою молярною концентрацією.

Хід роботи1. Обчисліть масу натрій нітрату, необхідну для при го ту ван ня

50 мл розчину молярною концентрацією 0,1 моль/л. Перевірте розрахунок у вчителя.

2. Зважте необхідну масу солі на техно-хімічних терезах (на годинниковому склі).

3. Для приготування розчинів певної моляр-ності використовують не звичайні, а мірні колби. На шийці мірної колби є позначка (кругова лінія), яка обмежує точний об’єм розчину; на колбі цей об’єм вказано (найчастіше 50, 100, 200, 250, 500 мл).

4. Установіть у мірну колбу лійку, пересипте в неї наважку солі й обережно обмийте годинникове скло та лійку дистильованою водою з промивалки. Додавайте невели-кими порціями воду з промивалки та перемішуйте рідину в колбі, закривши її пробкою і обережно перевертаючи догори

288

дном до повного розчинення солі. Потім долийте воду (коли рівень рідини наближатиметься до позначки — по краплинах), щоб нижній рівень меніска розчину торкався позначки. Знову закрийте колбу пробкою й перемішайте розчин, перевертаючи колбу декілька разів догори дном.

Практична робота 3Приготування розчину солі з молярною концентрацією еквівалента розчиненої речовиниРеактиви: калій сульфат, вода.Обладнання: технохімічні терези, важки, годинникове скло,

шпатель, лійка, мірна колба на 50 мл.Мета роботи: навчитися готувати розчин солі із заданою

молярною концентрацією еквівалента розчиненої речовини.

Хід роботи1. Обчисліть масу калій сульфату K

2SO

4, необхідну для приготування

50 мл розчину молярною концентрацією еквівалента 0,1 моль/л. Перевірте розрахунок у вчителя.

2. Зважте потрібну масу солі на технохімічних терезах (на го дин-ни ковому склі).

3. Установіть у мірну колбу лійку, пересипте в неї наважку солі й обережно обмийте годинникове скло й лійку дистильованою водою з промивалки. Перемішайте рідину в колбі до повного розчинення солі, додаючи невеликими порціями воду із про-ми вал ки. Потім додайте воду до позначки на шийці мірної колби, щоб нижній рівень меніска розчину торкався позначки. Закрийте колбу пробкою та обережно перемішайте її вміст, пе- обережно перемішайте її вміст, пе-обережно перемішайте її вміст, пе-, пе-ревертаючи колбу догори дном. Приготований розчин здайте вчителю.

Практична робота 4Реакції йонного обміну між електролітами у водних розчинахРеактиви: користуючись даними таблиці розчинності кислот,

солей та основ у воді (див. форзац 2), доберіть розчинні солі з ка-тіонами Cu2+, Co2+, Ni2+, Mg2+, Mn2+, розчин натрій гідроксиду кон-центрацією 0,5 моль/л, розчини кальцій і барій хлоридів та натрій сульфату концентрацією 1 моль/л; амоній нітрату концентрацією 0,5 моль/л; крейду, хлоридну кислоту концентрацією 1 моль/л; розчини цинк сульфату та натрій сульфіду концентрацією 1 моль/л.

289

Обладнання: мікропробірки зі штативом, шпатель. Мета роботи: провести реакції йонного обміну; спостерігати

явища, якими вони супроводжуються.

Хід роботи

Дослід 1. Реакції, що супроводжуються утворенням важкороз-чинних речовин

У три мікропробірки внесіть по 3–4 краплі розчинів солей, до складу яких входять катіони Cu2+, Co2+, Ni2+, концентрацією 1 моль/л. Потім у кожну мікропробірку додайте по 5 крапель розчину натрій гідроксиду концентрацією 0,5 моль/л. Який колір одержаних осадів? Складіть рівняння реакцій у молекулярній формі та спільне для всіх реакцій йонне рівняння у повній та скороченій формах.

Налийте у дві мікропробірки по 3–4 краплі розчинів кальцій і барій хлоридів концентрацією 1 моль/л. У кожну мікропробірку додайте по 4–5 крапель розчину натрій сульфату концентрацією 1 моль/л. Що спостерігаєте? Складіть рівняння реакцій у моле ку-ляр ній формі та спільне для всіх реакцій йонне рівняння у повній та скороченій формах.

Дослід 2. Реакції, що супроводжуються утворенням летких ре-човин• Покладіть у мікропробірку шматочок крейди й додайте хлорид-ну кислоту концентрацією 1 моль/л. Піднесіть до отвору мікро-пробірки запалений сірник або скіпку. Що спостерігаєте? Складіть рівняння реакції в молекулярній та повній і ско-роченій йонній формах.• Працювати під витяжною шафою! Налийте в мікропробірку 5 крапель розчину цинк сульфату концентрацією 1 моль/л і 5 крапель розчину натрій сульфіду концентрацією 1 моль/л. На осад, що утворився, подійте хлоридною кислотою. Які зміни відбуваються з осадом? Яка летка речовина при цьому виділяється? Складіть рівняння реакцій у молекулярній формі та спільне для всіх реакцій йонне рівняння у повній та скороченій формах.

Дослід 3. Реакції, що супроводжуються утворенням речовин, які слабко дисоціюють

У пробірках отримайте осади гідроксидів магнію, кадмію та мангану(ІІ). Подійте на осади хлоридною кислотою. Що відбува-ється з осадами? Чому? Складіть рівняння реакцій у молекуляр-ній формі та спільне для всіх реакцій йонне рівняння у повній та скороченій формах.

290

Практична робота 5Розв’язування експериментальних задач на визначення pH розчинів і гідроліз солейРеактиви: розчини натрій нітрату, натрій карбонату, цинк

хлориду, алюміній хлориду, натрій карбонату, лакмусу.Обладнання: пробірки, штатив, індикаторний папір.Мета роботи: застосувати набуті знання до розв’язування екс-

периментальних задач.

Хід роботиДослід 1. Визначення рН розчинів за допомогою універсального

індикатораОтримайте у вчителя або лаборанта розчини, рН яких треба ви-

значити. Нанесіть скляною паличкою або піпеткою 2–3 краплі од-ного з розчинів на індикаторний папірець. Порівняйте забарвлен-ня ще вологої плями на папірці з кольоровою шкалою та виберіть на ній відтінок, який більш за все підходить до кольору плями. Зробіть висновок про рН досліджуваного розчину та вкажіть реак-цію середовища (кислу, лужну або нейтральну).

Повторіть ці дії для інших розчинів.Дослід 2. Гідроліз солей• До 1 мл розчину натрій нітрату долийте фіолетовий розчин лакмусу. Що спостерігаєте? Чи змінюється забарвлення розчину? Пере вірте дії інших виданих вам індикаторів на розчин натрій нітрату. Запишіть у зошит, що спостерігаєте.• Проведіть аналогічний дослід з розчинами натрій карбонату та цинк хлориду. Який характер середовища — лужний, кислий чи нейтральний — мають розчини цих солей? Складіть рівняння відповідних реакцій у молекулярній та в повній і скороченій йонній формах.• До розчину алюміній хлориду долийте розчин натрій карбонату. Що спостерігаєте? Яка речовина виділяється у вигляді газу, а яка — випадає в осад? Поясніть ці явища та підтвердьте їх рівняннями відповідних реакцій у молекулярній та повній і скороченій йонній формах.

Практична робота 6Розв’язування експериментальних задачРеактиви: хлоридна кислота, розчини сульфатної та нітрат-хлоридна кислота, розчини сульфатної та нітрат-, розчини сульфатної та нітрат-

ної кислот; розчини натрій, кальцій, барій і ферум(ІІІ) хлоридів; натрій, калій, магній і кальцій карбонати; натрій, магній і куп-рум(ІІ) сульфати; аргентум(І) нітрат; калій і натрій гідроксиди; магній і куп рум(ІІ) оксиди; розчини лакмусу й фенолфталеїну.

291

Обладнання: хімічний посуд, шпатель.Мета роботи: застосувати набуті знання до розв’язування екс-

периментальних задач.

Хід роботи

Уважно прочитайте умову задачі, складіть план експерименту, проведіть його в хімічній лабораторії за допомогою виданих вам реактивів з дотриманням правил безпеки.

Задача 1. За допомогою яких із наявних реактивів можна одержати: а) кальцій карбонат; б) карбон(IV) оксид; в) магній гід-IV) оксид; в) магній гід-) оксид; в) магній гід-роксид? За якими ознаками можна впевнитися що вони утвори-лися? Складіть рівняння цих реакцій у молекулярній, повній та скороченій йонній формах.

Задача 2. Проведіть реакцію нейтралізації з використанням наявних реактивів. Яку речовину треба заздалегідь додати до однієї із речовин? Складіть рівняння цих реакцій у молекулярній, повній і скороченій йонній формах.

Задача 3. За допомогою яких із наявних реактивів можна одержати: а) осади барій сульфату та ферум(ІІІ) гідроксиду, роз-(ІІІ) гідроксиду, роз-чин кальцій хлориду; б) осади плюмбум(ІІ) сульфату та купрум(ІІ) гідроксиду, розчин магній хлориду? Складіть рівняння цих реак-цій у молекулярній, повній та скороченій йонній формах.

Задача 4. З використанням наявних реактивів проведіть реакції, які можна виразити такими скороченими йонними рівняннями:

а) Ag+ + Cl– = AgCl ↓;

б) CuO + 2H+ = Cu2+ + H2O;

в) H+ + OH– = H2O;

г) 2H CO CO H O;+ −+ ↑ +32

2 2�ґ) MgO + 2H+ = Mg2+ + H

2O.

Задача 5. У п’яти пронумерованих пробірках без етикеток містяться розчини сульфатної кислоти, натрій сульфату, магній сульфату, натрій карбонату, натрій гідроксиду. Дослідним шляхом розпізнайте вказані речовини. Складіть рівняння реакцій у молекулярній, повній та скороченій йонній формах.

Практична робота 7Окисно-відновні реакціїРеактиви та матеріали: залізні цвяшки, розчини цинк суль-

фату, аргентум(I) нітрату та купрум(ІІ) сульфату молярною кон-аргентум(I) нітрату та купрум(ІІ) сульфату молярною кон-(ІІ) сульфату молярною кон-центрацією 1 моль/л; мідна стружка, шматочки цинку, розведена сульфатна кислота; розчини калій дихромату й калій йодиду та сульфатної кислоти молярною концентрацією 1 моль/л.

292

Обладнання: штатив із пробірками, скляна паличка; окуляри й гумові рукавички.

Мета роботи: закріплення знань щодо визначення реакцій, які відбуваються зі зміною ступенів окиснення атомів елементів, та визначення серед реагентів типових окисників і відновників; за-кріплення вміння складати рівняння окисно-відновних реакцій методом електронного балансу.

Хід роботиІ. Проведіть досліди.Дослід 1. Взаємодія металів з розчинами солейУ кожну з трьох пробірок налийте відповідно розчин цинк суль-

фату, аргентум(I) нітрату та купрум(ІІ) сульфату. Занурте в кож- та купрум(ІІ) сульфату. Занурте в кож-купрум(ІІ) сульфату. Занурте в кож-(ІІ) сульфату. Занурте в кож-ний із розчинів по залізному цвяшку, який потрібно поперед ньо обробити (2–3 хв) хлоридною кислотою, а потім промити дис-тильованою водою.

Чи в усіх пробірках відбуватимуться хімічні реакції? Складіть рівняння відповідних реакцій та вкажіть причину їх перебігу, а також ступені окиснення елементів.

Дослід 2. Взаємодія металів з кислотами. Працюйте в окулярах і гумових рукавичках!

В одну пробірку помістіть мідну стружку, у другу — шматочок цинку, а в третю — шматочок олова. Налийте в пробірки по 1 мл розведеної сульфатної кислоти.

Чи в усіх трьох пробірках відбуваються хімічні реакції? Чи однаково інтенсивно виділяється газоподібний продукт реакції в пробірках? Чому? Який це продукт? Відповідь підтвердьте рів-няннями реакцій, скориставшись методом електронного балансу. Який елемент у кожній із реакцій виконує роль окисника?

Дослід 3. Взаємодія калій дихромату з калій йодидом у кислому середовищі

Налийте в пробірку 3 мл розчину калій дихромату та додайте 1 мл розчину сульфатної кислоти. Скляною паличкою перемішайте утворену суміш розчинених речовин і додайте 2 мл розчину калій йодиду. Складіть рівняння реакції, узявши до уваги, що K

2Cr

2O

7

відновлюється до Cr2(SO

4)3, а йодид-іон I– окиснюється до I

2. Наяв-

ність I2 можна підтвердити, якщо внести в реакційне середовище

свіжоприготований розчин крохмалю.ІІ. Виконайте завдання.1. Укажіть, які з наведених реакцій є окисно-відновними. Для

цього визначте ступені окиснення елементів, що входять до складу вихідних і кінцевих речовин:

293

1) CaCl Na CO = CaCO NaCl;2 2 3 3 2+ +2) Ba(NO ) K SO = BaSO KNO ;3 2 2 4 4 32+ +

3) MgO Ca CaO Mg;+ = +t

4) Al O NaOH 2NaAlO H O;2 3 2 22+ = +t

5) 4Al(NO 2Al O NO O ;3 3 2 3 2 212 3) = + ↑ + ↑t

6) 4AgNO Cl AgCl N O O ;3 2 2 5 22 4 2+ = ↓ + ↑ + ↑

7) 2KI Fe (SO = I 2FeSO K SO ;+ ↓ + +2 4 3 2 4 2 4)

8) 3NaNO NaOH Cr O = 2Na CrO NaNO H O;3 2 3 2 4 2 24 3 2+ + + +9) 2AlCl NaOH = Al O NaCl H O;3 2 3 26 6 3+ + +10) K Cr O S = Cr O K SO2 2 7 2 3 2 4+ + .2. Використовуючи метод електронного балансу, визначте окис-

ник і відновник та складіть рівняння окисно-відновних реакцій за наведеними схемами:

1) Cu(NO ) CuO NO O ;3 2 2 2→ + +t

2) H CO CH H O;2 2 4 2+ → +t

3) H Na SO Na S H O;2 2 4 2 2+ → +t

4) H O KMnO MnO O KOH;2 4 2 2+ → + +5) Li S O H O S LiOH;2 2 2+ + → ↓ +6) NaOH NO O NaNO H O;+ + → +2 2 3 2

7) KNO Pb H O KNO Pb(OH) ;3 2 2 2+ + → + ↓

8) Ca(NO CaO NO O ;3 2 2 2) → + +t

9) Al S O Al O SO ;2 3 2 2 3 2+ → +t

10) Cu HNO ( .) Cu NO NO H O+ → + +3 3 2 2розб ( ) ;

11) HNO S H SO NO H O;3 2 4 2 2+ → + +12) MnO H SO Mn (SO O H O;2 2 4 2 4 3 2 2+ → + ↑+)

13) KMnO H MnO KOH H O;4 2 2 2+ → ↓+ +

14) MnS O MnO SO ;+ → +2 2 2

t

15) Fe HNO Fe(NO ) N H O;+ → + ↑+3 3 2 2 2

16) Fe (SO ) Fe O SO O ;2 4 3 2 3 2 2→ + + ↑17) FeCl O Fe O Cl ;2 2 2 3 2+ → +18) HNO S H SO NO;3 2 4+ → +19) HBr H SO Br SO H O;+ → + +2 4 2 2 2

20) HI H SO I H S H O+ → + +2 4 2 2 2 .

294

Практична робота 8Дослідження впливу різних чинників на швидкість хімічної реакції

Реактиви: сульфатна кислота концентрацією 1 моль/л, шма-точки магнію, цинку, заліза; хлоридна кислота концентрацією 1 моль/л та розведена у відношенні 1 : 4, шматочки крейди; хло-ридна кислота (розведена 1 : 2), шматочки мармуру; розчин гід-роген пероксиду (w(H

2O

2) = 30 %), кристалики манган(ІV) ок сиду

MnO2; шматочок цинку та порошок цинку.

Обладнання: пробірки, штатив, терези, термометр, шпатель.

Мета роботи: дослідити, як різні чинники впливають на швид-кість хімічної реакції.

Хід роботи

Усі досліди виконуйте з дотриманням правил безпеки: надяг-: надяг-ніть гумові рукавички та захисні окуляри.

Дослід 1. Вплив природи речовин, що реагуютьУ три пробірки налийте приблизно на 1/3 об’єму розведену суль-

фатну кислоту концентрацією 1 моль/л. Внесіть у першу пробірку шматочок магнію, у другу — шматочок цинку, а в третю — шма-то чок заліза. Спостерігайте перебіг реакцій з виділенням газу. Який газ виділяється? Складіть рівняння реакцій. Яка з указаних ре ак цій відбувається з найбільшою швидкістю? Чому? Від чого це залежить? До якого типу належать досліджені реакції?

Дослід 2. Вплив концентрації речовин, що реагуютьЗаповніть дві пробірки приблизно на 1/2 об’єму хлоридною

кислотою різної концентрації (1 моль/л та розведеною у відношенні 1 : 4). Внесіть у них одночасно однакові за масою шматочки крейди CaCO

3. Що спостерігаєте? У якій із пробірок інтенсивність

виділення газу більша? Який газ виділяється? Складіть рівняння реакцій. Зробіть висновок, у якому з розчинів — концентрова-ному чи розведеному — розчинення CaCO

3 відбувається швидше.

До якого типу належить досліджена реакція?

Дослід 3. Вплив температуриУ дві пробірки налийте хлоридну кислоту однакової концентрації

(розведену у відношенні 1 : 2). Розчин в одній із пробірок нагрійте у киплячій воді приблизно до 40 °С (визначте температуру за допомогою термометра). Після цього в кожну про бірку покладіть приблизно однакові шматочки мармуру CaCO

3. У якій із пробі-

рок спостерігаєте інтенсивніше виділення газу? Який газ виділя-

295

ється? Складіть рівняння реакції. Як температура впливає на хід реакції?

Дослід 4. Вплив каталізатораУ пробірку приблизно на 1/3 об’єму налийте розчин гідроген

пероксиду (w(H2O

2) = 30 %), а потім до 1/2 об’єму долийте суль-

фат ної кислоти концентрацією 1 моль/л. Додайте декілька крис-та ли ків манган(ІV) оксиду MnO

2. Що спостерігаєте? Який газ

ви діляється? Складіть повне рівняння реакції. До якого типу реакцій її можна віднести?

H2O

2 + MnO

2 + H

2SO

4 = MnSO

4 + H

2O + ?

Дослід 5. Вплив розмірів поверхні зіткненняДві пробірки заповніть на 1/3 об’єму розведеною сульфатною

кислотою концентрацією 1 моль/л. Одночасно внесіть в одну з про бірок шматочок цинку, а в другу — його порошок. Що спо-стерігаєте? Чи є різниця в швидкості виділення газу? Який газ виділяється? Складіть рівняння реакції.

Практична робота 9Оборотні та необоротні реакціїРеактиви: розчини кальцій хлориду, алюміній нітрату, натрій

карбонату, натрій ортофосфату концентрацією 1 моль/л; розчин нітратної кислоти концентрацією 1 моль/л, розчин лакмусу, розведена сульфатна кислота; розчин K

2Cr

2O

7 з масовою часткою

10 %, розчин лугу KOH з масовою часткою 60 %, розведена хлоридна кислота.

Обладнання: пробірки зі штативом.Мета роботи: дослідження оборотних і необоротних реакцій.

Хід роботи

Необоротними називають реакції, які супроводжуються утво-ренням осаду, виділенням газоподібної або слабодисоціюючої ре-чо вини.

Дослід 1. Необоротні реакції, що супроводжуються утворенням осаду

Приготуйте дві пробірки. В одну внесіть 10 крапель розчину кальцій хлориду концентрацією 1 моль/л, а в другу — 10 кра-пель розчину алюміній нітрату концентрацією 1 моль/л. У пер-шу пробірку додавайте по краплинах розчин натрій карбонату,

296

а в другу — розчин натрій ортофосфату, обидва концентрацією 1 моль/л. Що спостерігаєте? Зверніть увагу на забарвлення осадів. Складіть рівняння відповідних реакцій.

Дослід 2. Необоротні реакції, що супроводжуються утворенням газів

У пробірку з розчином натрій карбонату концентрацією 1 моль/л по краплинах додайте розчин розведеної сульфатної кислоти. Що спостерігаєте? Який газ виділяється? Підтвердьте відповідним рівнянням реакції. Чи має газ забарвлення?

Дослід 3. Необоротні реакції, що супроводжуються утворенням слабкого електроліту

У пробірку з розчином нітратної кислоти концентрацією 1 моль/л додайте декілька крапель розчину індикатора — лакмусу. Якого кольору набув розчин? У цю саму пробірку також по краплинах обережно додавайте розчин натрій гідроксиду до появи синього за-барвлення. Про що це свідчить? Як іще називають реакції подіб-ного типу? Складіть рівняння реакції.

Оборотними називають реакції, які здатні одночасно від бу-ватися у двох взаємно протилежних напрямках.

Розглянемо це на прикладі перетворення сполук Хрому(VI):

Cr O OH CrO H2 72

422− − − ++ +�

Останні, залежно від зміни характеру середовища — лужного на кисле або кислого на лужне, здатні пере творюватися з дихромат-іона на хромат-іон і навпаки.

Дослід 4. У хімічний стакан місткістю 100 мл налийте 10 мл розчину K

2Cr

2O

7 з масовою часткою 10 %. По краплинах

додайте концентрований розчин лугу KOH. Відбувається зміна оранжевого забарвлення на жовтий. Додайте по краплинах розведену хло рид ну кислоту. Знову з’являється оранжеве за-барв лен ня. Після цього вдруге додайте лугу. Повторно одержа-Повторно одержа-ли жовте забарвлення.

Перебіг указаних реакцій можна подати в такому вигляді:

K Cr O KOH 2K CrO2 2 7 2 42калій дихромат

(оранжевий)калій хр

конц+ ( .)�оомат

(жовтий)

+H O2

2K CrO HCl K Cr O2 4 2 2 72калій хромат

(жовтийкалій дихрома

розв

)

( .)+ �тт

(оранжевий)

+ +H O KCl2 2

297

У скороченій формі сумарне рівняння цієї оборотної реакції має такий вигляд:

2CrO H Cr O OH42

2 72− + − −+ +

(жовтий (оранжевий))

�

Практична робота 10Властивості етанової кислоти

Реактиви: розчин етанової кислоти (С = 0,1 моль/л), розчини лак мусу, фенолфталеїну, метилоранжу, магній (порошок), натрій кар бонат (порошок).

Обладнання: штатив із пробірками, шпатель.

Мета роботи: дослідити властивості етанової кислоти.

Хід роботи

Дослід 1. Дія на індикатори. У три пробірки налийте розчин етанової кислоти. Дослідіть за допомогою лакмусу розчин кислоти в першій пробірці, фенолфталеїну — у другій, метилоранжу — у третій. Чи змінюється забарвлення розчину в пробірках?

Дослід 2. Взаємодія з металом. У четверту пробірку додайте трохи порошку магнію. Що спостерігаєте? Який склад газу, що виділяється? Складіть рівняння реакції.

Дослід 3. Взаємодія із сіллю. У п’яту пробірку додайте трохи порошку натрій карбонату. Що спостерігаєте? Газ якого кольору та складу виділяється? Напишіть рівняння реакції.

Результати дослідів і висновки щодо властивостей етанової кислоти запишіть у зошит.

Практична робота 11Розв’язування експериментальних задач

Реактиви: етанол (w = 96 %), калій дихромат (С = 1,0 моль/л), сульфатна кислота (ρ = 1,84 г/мл); етанова кислота (С = 0,1 моль/л), роз чини натрій гідроксиду (w = 10 %), ферум(ІІІ) етаноату (w = 1 %), червоний лакмусовий папірець; гліцерол, дистильова-= 1 %), червоний лакмусовий папірець; гліцерол, дистильова- 1 %), червоний лакмусовий папірець; гліцерол, дистильова-1 %), червоний лакмусовий папірець; гліцерол, дистильова- %), червоний лакмусовий папірець; гліцерол, дистильова-%), червоний лакмусовий папірець; гліцерол, дистильова-гліцерол, дистильова-, дистильова-на вода, філь тру валь ний папір; глюкоза (w = 10 %), бромна вода.

Обладнання: штатив із пробірками, газовий пальник, тримач для пробірки.

Мета роботи: ознайомлення з властивостями етанолу, етанової кислоти, гліцеролу, глюкози.

298

Хід роботи

Дослід 1. Окиснення етанолу. Помістіть у пробірку 0,5–1 мл калій дихромату K

2Cr

2O

7 і додайте 2–3 краплі сульфатної кислоти.

Якого кольору розчин отримали? Розчин збовтайте та додайте етанол об’ємом 1 мл.

Уміст пробірки обережно струсіть і злегка підігрійте над полум’ям газового пальника.

Що спостеріга єте? Як змінилося забарвлення розчину? Який за-пах супроводжує реакцію?

Зеленувате забарвлення розчину, характерне для солей Хрому(ІІІ), та поява запаху прілих антонівських яблук свідчать про перебіг реакції за рівнянням:

42

CO

H——— — 32+ Cr (SO

4) +

3CH —CH —OH +

→

→K Cr O + 4H SO2 2 73 2

3CH3 2 4 2K SO + ?H O

Який коефіцієнт треба поставити перед H2O? Як у процесі реак-? Як у процесі реак-

ції змінюється ступінь окиснення атома Карбону?

Дослід 2. Якісна реакція на етанову кислоту. У пробірку помістіть 3 краплі етанової кислоти та 3 краплі води. Додайте до утвореного розчину 2–3 краплі розчину натрій гідроксиду — до повної нейтралізації етанової кислоти.

Для контролю ско ристайтеся червоним лакмусовим папірцем. Додайте 2–3 краплі розчину ферум(ІІІ) етаноату Fe(CH

3COO)

3.

Нагрійте розчин до кипіння. Випадає червоно-бурий осад нероз-чинного у воді ферум(ІІІ) гідроксодіацетату FeOH(CH

3COO)

2. Роз-

чин над осадом стає безбарвним:

CH3COOH + NaOH → CH

3COONa + H

2O

3CH3COONa + FeCl

3 → Fe(CH

3COO)

3 + 3NaCl

Fe(CH3CO)

3 + HOH → FeOH(CH

3COO)

2 ↓ + CH

3COOH

Дослід 3. Властивості гліцеролу. На аркуш фільтрувального паперу нанесіть 2–3 краплі гліцеролу й окремо декілька крапель води. Спостерігайте, яка рідина випаровується швидше.

Хімічними чи фізичними властивостями речовин можна пояснити результати досліду?

Дослід 4. Окиснення глюкози бромною водою. У пробірку налийте 1 мл розчину глюкози й 0,5 мл бромної води. Розчин старанно перемішайте до повного знебарвлення.

299

Відбувається окиснення глюкози до глюконової кислоти.

+ Br2 ∙ H

2O → + 2HBr

áðîìíà âîäà

ãëþêîçà ãëþêîíîâà êèñëîòà

C

CO

H

H

H

HO H

OH

OH

OH

H

C

C

C

CH2OH

C

CO

H

H

HO H

OH

OH

OHOH

H

C

C

C

CH2OH

Окисник — Br2.

Результати дослідів і висновки запишіть у зошит.

Практична робота 12Виявлення органічних сполук у харчових продуктахРеактиви: хліб, йодна настойка, дистильована вода; молоко,

розчин етанової кислоти з масовою часткою 10 %, розчин фенол-фталеїну, розчин лугу концентрацією 0,1 моль/л, нітратної кис-лоти.

Обладнання: хімічні стакани, мірний циліндр, конічна кол ба, піпетка, лійка, фільтрувальний папір, окуляри й гумові ру ка-вички.

Мета роботи: навчитися виявляти органічні сполуки у харчових продуктах.

Хід роботиДослід 1. Виявлення крохмалю у хлібіПриготуйте йодну воду. Для цього в стакані холодної води роз-

чиніть 1 краплю настойки йоду. Далі на шматочок білого хлібу нанесіть 1–2 краплі йодної води. Що спостерігаєте?

Протягом 5 хв пережовуйте такий самий шматочок білого хліба. Помістіть отриману кашицю на предметне скло та знову нанесіть 1–2 краплі йодної води. Запишіть одержаний результат.

У першому шматочку хліба міститься нерозчинний крохмаль, тому спостерігається відсутність будь-яких змін із забарвленням йоду. Під час жування хліба (другий шматочок) під дією слини відбувається поступове перетворення крохмалю на глюкозу, а тому і зміна забарвлення йоду від синього через синьо-фіолетовий до оранжевого:

(C H O H O C H O6 10 5 2 6 12 6)n n nкрохмаль глюкоза

+ →

300

Дослід 2. Виявлення білка в молоціУ хімічний стакан налийте 5 мл свіжого молока, додайте 10 мл

дистильованої води та 1 мл розчину етанової кислоти з масовою часткою 10 %. Перемішайте суміш. Утворюються пластівці.

Дайте осаду відстоятися, відфільтруйте рідину. Осад, що за-ли шив ся на фільтрувальному папері, промийте дистильованою водою та висушіть у сушильній шафі за температури 50–60 °С. Потім нанесіть на осад кілька крапель концентрованої нітратної кислоти (працюйте в окулярах і гумових рукавичках!). Поява жовтого забарвлення осаду під дією нітратної кислоти свідчить про наявність у ньому білка.

Дослід 3. Визначення кислотності молокаПоказником якості молока є його кислотність. У процесі

зберігання кислотність молока зростає, оскільки під дією бактерій

утворюється молочна кислота CH3—C—COOH

H

OH

. Вона також

утворюється під час квашення капусти, приготування солінь, виконуючи при цьому роль консерванту, через те що здатна перешкоджати утворенню гнилісних бактерій.

У конічну колбу піпеткою внесіть 10 мл молока, додайте 20 мл дистильованої води, 3 краплі спиртового розчину фенолфталеїну й ретельно збовтайте суміш.

Заповніть бюретку розчином лугу концентрацією 0,1 моль/л. Поступово доливайте розчин до суміші з молоком, безперервно збовтуючи її до появи слаборожевого забарвлення, яке не зникає протягом 1 хвилини.

Обчисліть, який об’єм розчину лугу пішов на нейтралізацію молочної кислоти у 100 мл молока. Якщо молоко свіже, то на нейтралізацію має піти 16–19 мл лугу.

301

Посилання в Інтернет на цікаві хімічні ресурси

• Вільна енциклопедія Вікіпедія http://uk.wikipedia.org• Український хімічний портал http://www.chemportal.org.ua• Портал про хімію для учнів та дорослих http://chemistry.about.com• Повний опис властивостей хімічних елементів і їхніх сполук http://www.webelements.com• Міжнародне товариство IUPAC http://www.iupac.org• Всеукраїнські хімічні олімпіади http://www-chemo.univer.kharkov.ua/olympiad.htm• Портал «Хімічний світ» http://www.chemworld.com.ua• Повний опис властивостей хімічних елементів та їхніх сполук http://www.webelements.com• Цікавий електронний науково -популярний журнал про хімію та

хіміків, що видається спеціалістами Київського національного університету імені Тараса Шевченкаhttp://chemistry-chemists.com

302

Словничок термінів

Активований комплекс — це стан частинок у системі, запас енергії яких не нижчий за енергетичний бар’єр, необхідний для перебігу реакції.

Алкани — це насичені органічні сполуки, у яких атоми Карбо-ну сполучені між собою тільки простими (одинарними) хімічними зв’язками, інші їхні валентності насичені атомами Гідрогену.

Алкени — це ненасичені вуглеводні, у молекулах яких атоми Карбону сполучені між собою подвійними зв’язками.

Алкіни — це ненасичені вуглеводні, у молекулах яких атоми Карбону сполучені між собою потрійними зв’язками.

Амінокислоти — це кислоти, у молекулах яких, крім карбок-сильної групи —СООН, є аміногрупа —NH

2.

Білки — це природні високомолекулярні сполуки, які склада-ються із залишків амінокислот, що сполучені між собою в певній послідовності пептидними зв’язками.

Відновлення — це процес приєднання електронів атомом (йоном або молекулою), який супроводжується зниженням їхнього ступе-ня окиснення.

Відновники — це атоми, йони або молекули, які в окисно-від-новній реакції віддають електрони.

Внутрішня енергія — це енергія поступального та обертального руху молекул, коливального руху атомів усередині молекул, руху електронів в атомах.

Вуглеводи — це органічні сполуки, що містять атоми Карбону, Гідрогену й Оксигену, при цьому атоми Гідрогену та Оксигену пе-ребувають у тому самому співвідношенні, що й у молекулі води, тобто 2 : 1.

Вуглеводні — це найпростіші органічні сполуки, які містять тільки два хімічні елементи — Карбон і Гідроген.

Галогенування — це реакції, у яких атом Гідрогену заміщу-ється атомом галогену.

Гетерогенною називають систему, що складається з декількох фаз. Гідрати — це нестійкі сполуки змінного складу, що утворюють-

ся під час хімічної взаємодії молекул води із частинками розчи-неної речовини.

Гідроліз — реакції обмінної взаємодії йонів солі з йонами води.Гідрування — реакції ненасичених вуглеводнів з воднем, у ре-

зультаті яких утворюються насичені вуглеводні.Гомогенною називають систему, яка складається з однієї фази.

303

Гомологи — це органічні сполуки, які мають однотипну будо-ву та близькі хімічні властивості, але відрізняються за кількістю груп —CH

2—.

Денатурація білків — це процес зсідання білків, пов’язаний зі зміною їхньої просторової структури, крім первинної.

Дисперсійне середовище, або розчинник, — речовина, у якій роз-поділена інша речовина.

Дисперсна фаза, або розчинена речовина, — це речовина, яка роз-поділяється в іншій речовині.

Еквівалент — реальна або умовна частинка речовини, яка в кис-лотно-основних реакціях і реакціях обміну рівноцінна за хімічною дією одному йону Гідрогену або групі ОН–, а в окисно-відновних реакціях — одному відданому чи прийнятому електрону.

Екзотермічні реакції— це реакції, які супроводжуються виді-ленням теплової енергії.

Ендотермічні реакції — це реакції, які супроводжуються погли-нанням теплової енергії.

Енергетичний бар’єр — це енергетичний рівень, характерний для перебігу певної реакції; якщо його досягають частинки речо-вин, що контактують, то взаємодія їх відбувається.

Електродний потенціал металу — це різниця потенціалів, що виникає між металом (твердою фазою) і розчином електроліту (рідкою фазою).

Електроліз — це окисно-відновний процес, що відбувається на електродах під час проходження постійного електричного струму крізь розплав або розчин електроліту.

Електроліти — це речовини, водні розчини та розплави яких виявляють здатність проводити електричний струм.

Електролітична дисоціація речовини в розчинах — це розкла-дання розчиненої речовини на йони під дією молекул розчинника.

Емульсії — це системи з рідким дисперсійним середовищем і рід кою дисперсною фазою.

Енергія активації — це енергія, необхідна для збудження ато-мів, йонів або молекул до енергії активованого комплексу.

Жири — це складні естери, утворені вищими монокарбоновими кислотами та триатомним спиртом гліцеролом.

Ізомерія — це явище існування речовин з однаковим якісним і кількісним складом (і, як наслідок, відносною молекулярною масою), але таких, що відрізняються будовою, а отже, і власти-востями.

Йонообмінні реакції — це реакції, які відбуваються без зміни ступенів окиснення атомів, що утворюють йони.

304

Карбонові кислоти — органічні речовини, до складу молекул яких входить одна карбоксильна група (—COOH), cполучена з ато-мом Гідрогену (у випадку метанової кислоти) або з насиченим вуг-леводним радикалом —C

nH

2n + 1.

Каталіз — це явище збудження хімічної реакції або зміни її швидкості додаванням певних речовин — каталізаторів.

Каталітичні реакції — це реакції, які відбуваються за участі каталізатора — речовини, що прискорює їхній перебіг, але фор-мально не входить до запису хімічного рівняння.

Кислоти — це електроліти, які у водних розчинах дисоціюють з утворенням тільки одного виду катіонів — йонів Гідрогену.

Коефіцієнт розчинності — це відношення маси розчиненої речо-вини, яка міститься в її насиченому розчині за даної температури, до 100 г розчинника.

Молярна концентрація розчиненої речовини, або молярність, — це відношення кількості розчиненої речовини до об’єму розчину.

Необоротні реакції — це реакції, що відбуваються тільки в од-ному напрямку.

Оборотні реакції — це реакції, що відбуваються одночасно у двох взаємно протилежних напрямках.

Окиснення — це процес віддавання електронів атомом (йоном або молекулою), який супроводжується збільшенням їхнього сту-пеня окиснення.

Окисники — це атоми, йони або молекули, які в окисно-віднов-ній реакції приєднують електрони.

Окисно-відновні реакції — це реакції, під час перебігу яких змі-нюються ступені окиснення атомів усіх або деяких елементів, що входять до складу речовин, які реагують між собою.

Основи — це електроліти, які у водних розчинах дисоціюють з утворенням тільки одного виду аніонів — гідроксид-іонів ОН–.

Пептиди — це органічні речовини, побудовані з кількох залиш-ків амінокислот, сполучених у нерозгалужений ланцюг пептидни-

ми зв’язками, що утворюються між групою атомів OC

———— однієї

молекули кислоти та групою атомів —NH іншої молекули кис-лоти.

Полімеризація — реакція послідовного сполучення молекул мо-номерів — вихідних речовин — у більші за розміром молекули полімерів.

Реакції заміщення — реакції, під час яких атоми одного еле-мента заміщують атоми другого елемента в складній речовині, при цьому утворюються дві нові речовини — проста і складна.

305

Реакції обміну — реакції, під час яких складні речовини обмі-нюються між собою своїми складовими частинами, унаслідок чого з двох вихідних речовин утворюються дві нові кінцеві речовини.

Реакції розкладу — реакції, під час яких з однієї складної речо-вини утворюється декілька речовин.

Реакції сполучення — це реакції, під час перебігу яких з де-кількох речовин утворюється одна речовина, більш складна, ніж вихідні.

Солі — це електроліти, які у водному розчині дисоціюють з утво-ренням катіонів металічних елементів та аніонів кислотних за-лиш ків.

Спирти — це похідні вуглеводнів, у молекулах яких один або декілька атомів Гідрогену заміщені на гідроксигрупу.

Ступінь електролітичної дисоціації — це відношення кількості ди соційованих частинок до вихідної кількості частинок розчине-ної речовини за певної температури.

Суспензії — це системи, у яких дрібні частинки твердої речови-ни рівномірно розподілені між молекулами рідкого дисперсійного середовища.

Тепловий ефект реакції — це кількість теплоти, яка виділяєть-ся під час екзотермічної реакції або поглинається під час ендотер-мічної реакції.

Термохімічні рівняння хімічних реакцій — це рівняння, у яких наведено тепловий ефект реакції.

Фаза — це частина системи, яка відрізняється за своїми фізич-ними або хімічними властивостями від інших її частин і відділена від них поверхнею поділу, у разі переходу через яку властивості системи різко змінюються.

Хімічна кінетика — учення про швидкість хімічних реакцій. Хімічна рівновага — стан системи речовин-реагентів, за якого

швидкості прямої та зворотної реакції стають однаковими.Швидкість реакції — фізична величина, що визначається змі-

ною концентрацій реагуючих речовин за одиницю часу.Якісні реакції — це реакції, які супроводжуються утворенням

осаду або зміною кольору розчину.

306

Відповіді до задач§ 1 П. 1.1. 6. 204 г. 9. 24 г кисню, 67,2 л водню. *11. 133,5 г AlCl

3;

9 03 1023, æ молекул. 12. 45 г H2O і 28 л CO

2.

П. 1.2. 10. 220 г натрію; 5,6 л водню. 11. 11,6 г. 12. 17,4 г Mg(OH)2;

36 г MgSO4. *13. 150 г солі. 14. 49,7 г солі. *15. 207 г K

2CO

3;

3 моль KOH.П. 1.3. 5. 33 г. 6. 46,8 г. 7. 24,3 г.П. 1.4. 8. 44,8 л; 178 г. 9. 73,5 г кислоти; 100 г солі. 10. 25,2 г

кислоти; 21,2 г солі. 11. 39,2 г кислоти; 62 г солі. *12. 22,4 л H2;

6 02 1023, æ молекул. 13. а) 3,65 г; 6 02 1022, æ молекул; б) 3,65 г; 6 02 1022, æ молекул.

П. 1.5. 11. 43,2 г. 12. 3,94 г. *13. 69,9 г BaSO4; 0,6 моль KCl.

*14. 3,36 л H2; 9 03 1022, æ молекул.

§ 6. 2. 67,5 % H2O. 5. 62,9 %. 4. 49,3 %. 5. 43,9 %. 6. 28,8 %.

§ 7. 5. б).§ 8. 4. г).§ 9. 1. 4,050. 3. 35,7 г. *4. 200 мл. *5. 92,2 г. 6. б). § 10. 4. 5 %. 5. 12,5 %. *6. 160 мл. *8. 7,7 %. 9. 30 г Na

2SO

4 і 120 г

води. *10. 61 г. *11. 157,5 г.§ 11. 2. 200 мл. 3. в). 4. 2 моль/л. 5. 56,7 г. 6. 2 моль/л. *7. 2 моль/л.

*8. 2 моль/л. 9*. 7,8 моль/л.§ 12. 1. 1,72 моль/л. 2. 2 моль/л. *3. 0,5 моль/л. *4. 1 моль/л.

*5. 6 моль/л.§ 13. 4. 11,3 моль/л. 5. 6 моль/л. 6. 70,7 %. 7. 40 %. 8. 4,9 моль/л.

9. г).§ 14. 1. 129,5 г Ca(NO ) H O3 2 24æ і 11,5 г води. 2. 4,06 %.

3. w(Na2CO

3) = 8,6 %. *4. 102 мл. *5. 24 г FeCl H O3 26æ .

§ 16. 5. 2 моль/л. 6. 3,9 моль/л.§ 17. *9. 18 г.§ 19. 1. 25 %. 2. 75 %, сильний. 3. 60 %, сильний. 4. 1 %.

5. 0,001 г. 6. 0,01 %. 7. 29,2 г. 8. 2,46 г. 9. 23,04 г. *10. 15,0 %. *11. 175,5 г K+; 216 г SO4

2−. *12. 38,64 г. *13. 90 %, сильний. *14. 82 %, сильний.

§ 21. 7. 5 %. *8. 2,5 моль/л. *9. 1 моль/л.§ 26. *11. 5 л H

2S і 2,5 л SO

2. *12. Fe

2O

3.

§ 28. *9. 2,85 л. *10. 68,74 мл. § 29. *6. 3,36 л. 7. 67.2 л.§ 31. 1. 3 г. 2. 54,7 г. 3. 3,2 г або 0,1 моль O

2. 4. 32 хв 10 с. 5. 1 год

11 хв. 6. 4 А. 7. 7 А. 8. 2,73 А. *9. 20 г. *10. Cu; 32 г/моль. *11. 67 А. *12. 16,7 л H

2 і 33,4 л O

2. *13. 48 хв 40 с. *14. 3,71 А.

307

§ 32. *8. 0,46 В.§ 33. *4. 115 г. *5. 67,2 л Cl

2.

§ 34. 4. в). 5. а). 6. б). *7. в).§ 35. 5. б). 6. а).§ 36. 5. г). 6. а). § 37. 3. 11,6 г. 4. 4Al (тв) + 3O

2 (г) = 2Al

2O

3 (тв), ∆ = −H .298

0 3352 кДж 5. 57,5 кДж. 6. 362,1 кДж. 7. 1815 кДж. 8. 53,25 г; 16,8 л. 9. N O NO ,2 2 2( ) ( ) ( )г г г+ � ∆ = +H298

0 180 5, .кДж 10. 160 кДж. 11. 2Al S Al O ,( ) ( )кр кр+ =3 2 3

∆ = −H .2980 28 3, кДж 12. 810 кДж.

13. 2,4 г вуглецю і 4,48 л кисню. 14. –853,6 кДж. 15. 986 кДж.§ 39. 2. Зросте у 16 разів. 3. 1,58 моль/л; 2 78 10 4, æ æ− моль л с./ 4. Кон-

станта швидкості 0,137; 0,1 моль/л ∙ с. 5. 2 16 10 3, .æ æ− моль л с/ 6. Зросте в 64 рази. 7. Збільшити концентрацію H

2S у 2 рази або

концентрацію кисню в чотири рази. 8. Збільшиться у 9 разів. 9. 2,5 моль/л. 10. Зросте у 243 рази. 11. 25 / .моль л сæ *12. 0,25. *13. 0,55.

§ 40. 6. а). § 41. 1. У 8 разів. 2. 4. 3. У 81 раз. 4. На 30 QС. 5. 3. 6. У 16 разів.

7. 0,3 моль/л ∙ с. 8. 3. 9. Збільшиться у 8 разів. 10. Зменшиться у 81 раз. *11. 2.

§ 42. 5. б). *6. в).§ 44. *9. г).§ 45. 5. 1 ∙ 10–4 моль/л ∙ с і 6,3 ∙ 10–4. 6. 1 ∙ 10–4 моль/л ∙ с і 1,91 ∙ 10–6.§ 46. 3. а). 4. б). 5. в). 6. в). *7. в).*8. г).§ 49. 10. а) 75 %; б) 81,8 %. 11. 4 г. 12. 192 г.§ 50. 8. 3,36 л; б) 13,44 л. 9. а) 37,5 г; б) 41,8 г.§ 51. 6. 627,6 л. 7. 313,6 л. 8. 11,2 л. 9. 9,5 л. 10. 14 л. 11. а) 29;

б) 43. 14. V(O2) = 39,2 л; V(СO

2) = 22,4 л. 15. C

4H

10 — бутан.

§ 52. 6. а) 22 г; б) 33 г. 7. а) 112 л (л); б) 358,4 л (л). *8. а) 0,5 моль; б) 3 моль.

§ 53. 1. V(O2) : V(CH

4) = 179,2 л : 89,6 л = 2 : 1. 2. V(CH

4) : V(Cl) =

= 1 : 1, V(CH4) = 5,6 л.

§ 55. 6. 44,8 л (л). 7. 18,4 г.§ 56. *12. 31,6 г солі кількістю 0,2 моль.§ 57. *11. 100,8 моль. *12. 46 г.§ 58. 12. 171 г. *13. 112 л. *14. 210 г. 15. Більше Карбону містить

сахароза (42,1 %), а більше води — глюкоза (60 %). *16. 739,2 л. *18. 135 г.

§ 59. *8. 48,5 г. *9. 150 г. *10. 132 г. 12. 8. 13. 17. 14. 80 г.§ 64. 18. 160 л. 19. 120 м3.

308

Відповіді на тестові завдання

до розділу 1

Номер завдання

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Відповідь В В, Г

В, Г

А Б Г В, Г

Б В

Номер завдання

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Відповідь В В В Г 1В 2Г 3А 4Б

Г Г Б В

до розділу 2

Номер завдання

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Відповідь Б А Г В 1Г, 2В, 3Д, 4А

Б Г Г В А Б Б А

Номер завдання

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Відповідь Г А Г Б Б Б, Г

Б, Г

А, Г

А, Г

А, В

Б, Г

В А

до розділу 3

Номер завдання

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Відповідь В Б 11Г, 2В, 3Д, 4Б

А Б Г А А Б В

Номер завдання

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Відповідь Б Г В В Б Б А В Б А

309

до розділу 4

Номер завдання

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Відповідь 1Ґ, 2Г, 3Б, 4А

Б А Б Г В А А В Г В Б Г

Номер завдання

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Відповідь В 1Ґ, 2В, 3Г, 4Б

Г Г В В В Г В Б Б Б

до розділу 5

Номер завдання

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Відповідь А Б 1Ґ2В3А4Б

Г В Б А Б Б Г Б А Б

Номер завдання

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Відповідь А В В Г Б, В

А В Г Б Б А Г

310

Предметний покажчик

ААктивний центр 185Активований комплекс 178Актин 257Акумулятор 148Алкани 207Альбумін 257Амінокислоти 248— замінні 256— незамінні 256Аморфна речовина 22Аніон 76Анод 134, 143Ареометр 65Ацетилен 221

ББілки 253— прості 253— складні 253— вторинна структура 254— первинна структура 253Болотний газ 207Будова речовини аморфна 22— — кристалічна 22Бутан ізомерний 210— нормальний 210

ВВідновлення 119, 161Відновники 119Вільний радикал 216Властивості відновні 123— окисні 124—, окисно-відновна

подвійність 124Внутрішня енергія 162Водневий показник 97Вуглеводи 243— прості (моносахариди) 243— складні (полісахариди) 243Вуглеводні 203— ненасичені 204— насичені 204

ГГальванічний елемент 141Гексан 209Гідратація 34Гідрати 36Гідратна оболонка 34Гідратований йон 34Гідроксоній 81Гідроліз 102Гідроксиди 9— амфотерні 12Гліцерол 230Глюкоза 243Гомологи 207Гомологічна різниця 207Гомологічний ряд 207Густина розчину 64

ДДенатурація 255Дипептид 251Диполь 79Дисахарид 243Дисперсійне середовище 25Дисперсна система 25— фаза 25Дифузія 33Довжина ланцюга 186

ЕЕквівалент 57Електричне коло— —, внутрішнє 141— —, зовнішнє 141Електродний потенціал 140— —, стандартний 140Електроліт 75— середньої сили 85— сильний 84— слабкий 84Електролітична дисоціація 75— —, рівняння 84— —, ступінь 83— — ступінчаста 82Електроліз 134

311

Електролізер 134Електрод активний 134— інертний 134Електрохімічний процес 133Елементи-органогени 203Емульсія 26Енергетичний бар’єр 178Енергія активації 179Ентальпія 162Естери 236Етанол 230Етен (етилен) 221 Етин (ацетилен) 221

ЖЖири 238

ЗЗависі 26Закон Гесса 165— діючих мас 170— об’ємних відношень 224Закони Фарадея 135

ІІзомерія 210Індикатор кислотно-основний 99 — універсальний 97Інсулін 257

ЙЙонний добуток води 96

ККазеїн 257Карбоновий скелет 205Каталіз 187— гетерогенний 188— гомогенний 188Каталізатор 183, 187Катіон 76Катод 134, 142Кислота аміноетанова 249— дезоксирибонуклеїнова

(ДНК) 259— етанова (оцтова) 234— метанова (мурашина) 234

— олеїнова 237— пальмітинова 236— рибонуклеїнова (РНК) 259— стеаринова 236Кислоти 13, 81— безоксигенові 14— двоосновні 13 — карбонові 234— — вищі 236— — — ненасичені 236— — — насичені 236— нуклеїнові 258— одноосновні 13— оксигеновмісні 15— триосновні 13Кислотність основи 10Киплячий шар 283Кератин 257Колаген 257Кольорові реакції 256Концентрація розчину— відсоткова 50— молярна 54Кристалізаційна вода 36Кристалічні ґратки 22— — атомні 22— — йонні 23— — молекулярні 23Кристалогідрат 36Крохмаль 245Крохмальне молоко 247Крохмальний клейстер 146, 244

ЛЛанцюг карбоновий 205— — відкритий 205— — розгалужений 205— — циклічний 205Ланцюговий механізм 185— процес нерозгалужений 186— — розгалужений 186

ММасова частка розчиненої

речовини 50Метод електронного балансу 126

312

Мідний купорос 119Міозин 257Метан 207Метанол 230Метиленова група 207Модель молекули 212Молярна маса еквівалента речови-

ни 59— концентрація еквівалента речо-

вини 59Мономер 227Моносахариди 242

ННаважка 286Напівреакція 127Неелектроліти 76, 84Нуклеопротеїди 258

ООбмінний механізм 20Окиснення 118, 161Окисники 119Окисно-відновна подвійність 124Оксиди 5— амфотерні 7— кислотні 8— — вищі 8— основні 6Органічні сполуки 203— ациклічні 204— насичені 204— ненасичені 204— циклічні 204Основи 9, 82— двокислотні 10— однокислотні 10Основність кислоти 13

ППептиди 251Пептидний зв’язок 251Подвійний електричний шар 133Поліетилен 227Полімер 227Поліпептиди 251Полісахариди 242

Правило Вант-Гоффа 177Принцип Ле Шательє 193Протиток 283Процес безперервний 282— періодичний 282— циркуляційний 283рН розчину 97

РРеакція біуретова 256— галогенування 215— гідрування (гідрогенізації) 222— естерифікації 236— зародження ланцюга 185— ксантопротеїнова 256— повного окиснення 215— полімеризації 227— утворення пептидів 250— хлорування 216— якісна 107Реакції екзотермічні 158— ендотермічні 158— заміщення 157— зародження ланцюга 185— йонообмінні 90— каталітичні 158— ланцюгові 185, 216— некаталітичні 158— необоротні 157, 189— обміну 157— оборотні 158, 190— обриву ланцюга 186— окисно-відновні 118, 158— розкладу 157— сполучення 157Рівняння електролітичної дисоці-

ації 80— йонно-молекулярні 89— термохімічні 164Розвиток ланцюга 185Розчин 30— газоподібний 30— колоїдний 27— насичений 42— ненасичений 42— концентрований 50— рідкий 30

313

— твердий 30Розчинність 42—, коефіцієнт 44—, криві 44Розчинник 25, 30Розчинена речовина 25Рудниковий газ 207

ССахароза (дисахарид) 243Системи гетерогенні 170— гомогенні 170— грубодисперсні 26— дисперсні 26— неоднорідні 27— однорідні 27— тонкодисперсні 26Солі 16, 82— кислі 16— основні 16— середні 16Сольовий місток 141Спирти 230— двоатомні 230— одноатомні 230— триатомні 230Стан хімічної рівноваги 190Структурна ланка 228Ступінь окиснення 119— полімеризації 228Суспензія 26

ТТепловий ефект реакції 163— — —, стандартна величина 164Термопластичність 228

ФФаза 170Фактор еквівалентності 57Фермент 244

Функціональна група— аміногрупа 248— гідроксильна 230, 234— карбоксильна 234— карбонільна 234 — спиртів 230Формула структурна 206

ХХарактер середовища 97Хімічна кінетика 169Хімічна технологія 284Хімічний зв’язок 19— — міжмолекулярний

водневий 40— — йонний 21 — — ковалентний 20— — — неполярний 20— — — полярний 20— — пептидний 251— —, кратність 21

ШШвидкість хімічної реакції 169— — —, константа 171— — —, середня 169

ЦЦелюлоза 245

ЯЯкісна реакція на— — — білки 256— — — бромід-іон 108— — — йодид-іон 109— — — карбонат-іон 110— — — ненасичені вуглеводні 222— — — ортофосфат-іон 110— — — силікат-іон 110— — — сульфат-іон 109— — — хлорид-іон 108

314

Іменний покажчикАрреніус С.-А. 77Вант-Гофф Я. Г. 180Гальвані Л. 143Гей-Люссак Ж. Л. 226Деві Г. 151Ізмайлов М. А. 32Йонат А. 257Кроуфут-Ходжкін Д. 252Ле Шательє А. Л. 193Писаржевський Л. В. 123Сьоренсен С. П. Л. 98Фарадей М. 136Франклін Р. Е. 259

315

Зміст

Передмова............................................................................ 3

Повторення найважливіших питань курсу хімії 8 класу§ 1. Склад і властивості основних класів неорганічних сполук .. 5 1.1. Оксиди ....................................................................... 5 1.2. Основи ....................................................................... 9 1.3. Амфотерні гідроксиди ................................................ 12 1.4. Кислоти ................................................................... 13 1.5. Солі ......................................................................... 16 1.6. Генетичний зв’язок між найважливішими класами

неорганічних сполук ........................................................ 18§ 2. Хімічний зв’язок і будова речовини ............................... 19 2.1. Природа хімічного зв’язку ......................................... 19 2.2. Кристалічна й молекулярна будова речовини ............... 22

Розділ 1

Розчини§ 3. Поняття про дисперсні системи.

Колоїдні та істинні розчини .............................................. 25§ 4. Загальна характеристика розчинів. Значення розчинів

у природі, житті та практичній діяльності людини ............ 29§ 5. Розчинення — фізико-хімічний процес ........................... 33§ 6. Кристалогідрати ........................................................... 36§ 7. Будова молекули води. Поняття

про міжмолекулярний водневий зв’язок ........................... 39§ 8. Розчинність речовин у воді. Залежність розчинності

від різних чинників ........................................................ 42§ 9. Обчислення розчинності речовини .................................. 48§ 10. Кількісний склад розчинів: масова частка

розчиненої речовини ....................................................... 50§ 11. Кількісний склад розчинів: молярна концентрація

розчиненої речовини ........................................................ 54§ 12. Поняття про еквівалент та молярну концентрацію екві-

валента. Обчислення молярної концентрації еквівалента .... 57§ 13. Густина розчину. Залежність між густиною розчину

та його складом ............................................................... 64§ 14. Розв’язування задач на приготування розчинів

із кристалогідратів .......................................................... 68Тестові завдання ............................................................... 70Найважливіше в розділі 1 ................................................... 73

316

Розділ 2

Електролітична дисоціація § 15. Електролітична дисоціація.

Електроліти й неелектроліти ............................................ 75§ 16. Механізм електролітичної дисоціації речовин

з йонним і полярним ковалентним зв’язком ....................... 78§ 17. Електролітична дисоціація кислот, основ, солей

у водних розчинах. Поняття про ступінчасту дисоціацію ..... 81§ 18. Ступінь електролітичної дисоціації.

Сильні й слабкі електроліти.............................................. 83§ 19. Обчислення ступеня електролітичної дисоціації ............. 86§ 20. Реакції обміну між розчинами електролітів.

Складання йонно-молекулярних рівнянь ................................ 88§ 21. Хімічні властивості кислот, основ,

амфотерних гідроксидів, солей у світлі уявлень про електролітичну дисоціацію ......................................... 93

§ 22. Дисоціація води. Поняття про рН розчину .................... 96§ 23. Виявлення в розчині гідроксид-іонів

та йонів Гідрогену ........................................................... 99§ 24. Гідроліз солей ...........................................................102§ 25. Якісні реакції на хлорид-, бромід-, йодид-, сульфат-,

ортофосфат-, карбонат- і силікат-іони ...............................107Тестові завдання ..............................................................112Найважливіше в розділі 2 ..................................................116

Розділ 3Окисно-відновні та електрохімічні процеси

§ 26. Окисно-відновні реакції. Поняття про окисники та відновники ...............................118

§ 27. Залежність окисно-відновних властивостей речовин від ступеня окиснення елементів ......................................123

§ 28. Складання рівнянь окисно-відновних реакцій ...............126§ 29. Найважливіші окисно-відновні реакції ........................131§ 30. Електрохімічні процеси. Електроліз. Закони Фарадея ...133§ 31. Розв’язування задач з використанням

законів Фарадея .............................................................136§ 32. Поняття про електродний потенціал.

Гальванічний елемент і принцип його роботи ....................139§ 33. Електроліз: закономірності електродних процесів,

застосування електролізу .................................................144Тестові завдання ..............................................................152Найважливіше в розділі 3 ..................................................155

317

Розділ 4

Хімічні реакції та закономірності їх перебігу

§ 34. Узагальнення знань про основні типи хімічних реакцій ...................................157

§ 35. Окисно-відновні реакції: найважливіші окисники та відновники .............................159

§ 36. Поняття про енергетику хімічних реакцій ...................162§ 37. Термохімічні рівняння. Закон Гесса.

Найпростіші розрахунки за термохімічними рівняннями ....164§ 38. Поняття про хімічну кінетику.

Швидкість хімічної реакції ..............................................169§ 39. Обчислення швидкості та константи

швидкості реакції за законом діючих мас..........................173§ 40. Залежність швидкості хімічної реакції

від температури і природи реагуючих речовин ...................176§ 41. Обчислення зміни швидкості реакції

зі зміною температури за правилом Вант-Гоффа.................181§ 42. Залежність швидкості реакції

від наявності каталізатора і від площі поверхні зіткнення реагуючих речовин ..........................................183

§ 43. Поняття про ланцюгові реакції ...................................185§ 44. Загальні відомості про гомогенний

і гетерогенний каталіз .....................................................187§ 45. Хімічна рівновага. Оборотні та необоротні реакції.........189§ 46. Вплив різних чинників на стан хімічної рівноваги.

Принцип Ле Шательє ......................................................192Тестові завдання ..............................................................194Найважливіше в розділі 4 ..................................................199

Розділ 5

Найважливіші органічні сполуки§ 47. Склад органічних сполук. Спільні й відмінні ознаки

органічних і неорганічних речовин ...................................203§ 48. Особливості будови атома Карбону ...............................205

§ 49. Метан: молекулярна, електронна і структурна формули, поширення у природі .....................207

§ 50. Ізомерія: складання формул ізомерів. Моделі молекул. Значення моделювання в хімії .................210

§ 51. Фізичні та хімічні властивості гомологів метану ...........214

318

§ 52. Етен та етин: молекулярні, електронні та структурні формули, фізичні й хімічні властивості ........221

§ 53. Відношення об’ємів газів у хімічних реакціях. Обчислення об’ємних відношень газів за хімічними рівняннями ................................................224

§ 54. Поняття про полімери. Поліетилен ..............................227

§ 55. Спирти: метанол, етанол, гліцерол ..............................229

§ 56. Карбонові кислоти: метанова й етанова, їхні молекулярні та структурні формули і властивості .......234

§ 57. Жири: склад, утворення, гідроліз і гідрування, біологічне значення .........................238

§ 58. Вуглеводи: глюкоза, сахароза, крохмаль, целюлоза .......242

§ 59. Амінокислоти. Молекулярна та структурна формули аміноетанової кислоти, фізичні й хімічні властивості .........248

§ 60. Білки: склад і будова. Гідроліз, денатурація, кольорові реакції білків ..................253

§ 61. Нуклеїнові кислоти: склад і будова, біологічне значення ..................................258

§ 62. Природні й синтетичні сполуки. Значення продуктів органічної хімії .................................260

Тестові завдання ..............................................................263

Найважливіше в розділі 5 ..................................................267

Розділ 6

Узагальнення знань з хімії§ 63. Будова речовини. Багатоманітність речовин

і хімічних реакцій. Взаємодія між речовинами

та їхні взаємоперетворення .................................................272

§ 64. Місце хімії серед наук про природу, її значення для розуміння наукової картини світу. Хімія та екологія ............................................................276

§ 65. Хімічна наука й виробництво в Україні .......................281

Найважливіше в розділі 6 ..................................................284

ПРАКТИКУМ

Правила безпеки під час роботи в лабораторії .......................285Практична робота 1. Приготування розчину солі

з певною масовою часткою розчиненої речовини ................286

319

Практична робота 2. Приготування розчину солі із заданою молярною концентрацією розчиненої речовини .......................................................287

Практична робота 3. Приготування розчину солі з молярною концентрацією еквівалента розчиненої речовини ......................................288

Практична робота 4. Реакції йонного обміну між електролітами у водних розчинах ..............................288

Практична робота 5. Розв’язування експериментальних задач на визначення pH розчинів і гідроліз солей ..............290

Практична робота 6. Розв’язування експериментальних задач ................................................290

Практична робота 7. Окисно-відновні реакції .......................291Практична робота 8. Дослідження впливу різних чинників

на швидкість хімічної реакції ..........................................294Практична робота 9. Оборотні та необоротні реакції .............295Практична робота 10. Властивості етанової кислоти .............297Практична робота 11. Розв’язування

експериментальних задач ...............................................297Практична робота 12. Виявлення органічних сполук

у харчових продуктах .....................................................299

Посилання в Інтернет на цікаві хімічні ресурси ....................301Словничок термінів ............................................................302Відповіді до задач ..............................................................306Відповіді на тестові завдання ..............................................308Предметний покажчик .......................................................310Іменний покажчик ............................................................314

Видано за рахунок державних коштів. Продаж заборонено

Навчальне видання

БУТЕНКО Анатолій Миколайович

ХІМІЯ ДЛЯ ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

З ПОГЛИБЛЕНИМ ВИВЧЕННЯМ ХІМІЇ

підручник для 9 класу загальноосвітніх навчальних закладів

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

Головний редактор Г. Ф. ВисоцькаВідповідальний за випуск М. В. Москаленко

Літературний редактор Т. Є. ЦентаХудожнє оформлення та дизайн Д. В. Висоцький

Технічний редактор О. В. ГулькевичКоректор Т. Є. Цента

Комп’ютерне верстання C. І. Северин

Формат 60 90/16. Папір офсетний. Гарнітура шкільна. Друк офсетний. Ум. друк. арк. 20,00. Обл.-вид. арк. 17,27.

Тираж 2930 прим. Замовлення №

ТОВ ТО «Гімназія», вул. Восьмого Березня, 31, м. Харків 61052

Тел.: (057) 758-83-93, (057) 719-46-80, (057) 719-17-26, факс: (057) 758-83-93

E­mail: contact@gymnasia.com.uawww.gymnasia.com.ua

Свідоцтво суб’єкта видавничої справи ДК № 644 від 25.10.2001

Надруковано з діапозитивів, виготовлених ТОВ ТО «Гімназія», у друкарні ПП «Модем»,

вул. Восьмого Березня, 31, м. Харків 61052Тел. (057) 758-15-80

Свідоцтво суб’єкта видавничої справи ХК № 91 від 25.12.2003